DE4010909A1

DE4010909A1 - Cold-emission protection diode - has air-isolated electrodes with micrometric separation to prevent electrical discharge

Info

Publication number: DE4010909A1
Application number: DE19904010909
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Stephani; David Branston
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1991-10-10

Abstract

The diode combines the advantages of semiconductor and vacuum diodes respectively and comprises two metal electrodes forming a cathode (1) and an anode (2). The anode is electrically isolated from the substrate (3) and is arranged concentrically around the cathode. The cathode edge radius (rK) is significantly smaller than the anode edge radius (rA). An electrode separation distance (II) of no greater than 0.3 microns ensures prevention of electrical discharge. ADVANTAGE - Avoids danger of punch through associated with hot-emission diodes. Suitable for use in air, inert gas or vacuum.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diode, die auf der Kalt emission von Ladungsträgern eines Elektronenleiters beruht.The invention relates to a diode based on the cold emission of charge carriers of an electron conductor is based.

Durch Energiezuführung, beispielsweise durch Einstrahlung von kurzwelligem Licht oder durch Aufprall schneller Teilchen sowie durch hohe Temperatur, können bekanntlich die Leitungselektro nen eines Metalls die notwendige Energie erhalten, um aus der Oberfläche auszutreten. Ferner können die Elektronen auch durch Feldelektronenemission, d. h. durch ein genügend starkes elek trisches Feld, aus der Oberfläche herausgezogen werden. Durch hohe elektrische Felder wird die Potentialschwelle für die Elektronen an der Oberfläche so stark vermindert, daß Elektro nen die Oberfläche unter Ausnutzung des Tunneleffekts verlassen können. Bei gasförmiger Umgebung tritt schon bei verhältnis mäßig geringer Feldstärke eine Gasentladung auf; man benötigt somit für die Feldemission ein ausreichendes Vakuum. Die für die Feldemission erforderliche Feldstärke liegt in der Größen ordnung von etwa 10⁹ V/m. Sie läßt sich deshalb im allgemeinen nur an scharfen Kanten oder Spitzen erreichen.By supplying energy, for example by irradiation of short-wave light or by impacting fast particles and by high temperature, it is known that the line electrodes of a metal can receive the necessary energy to emerge from the surface. Furthermore, the electrons can also be pulled out of the surface by field electron emission, ie by a sufficiently strong electric field. High electrical fields reduce the potential threshold for the electrons on the surface so much that electrons can leave the surface using the tunnel effect. In a gaseous environment, a gas discharge occurs even at a relatively low field strength; a sufficient vacuum is therefore required for the field emission. The field strength required for the field emission is in the order of about 10 ⁹ V / m. It can therefore generally only be reached on sharp edges or tips.

Bei einem bekannten Gleichrichter wird ein Lichtbogen bei jeder zweiten Halbwelle einer angelegten Wechselspannung zwischen einer spitzen Kathode aus Wolfram und einer flächenhaften Anode aus Kupfer wiedergezündet. Die Temperatur des Lichtbogens be trägt mehr als 1200 K. Der Abstand der Elektroden beträgt ei nige Millimeter. Die Wiederzündung des Lichtbogens bei jeder zweiten Halbwelle wird dadurch ermöglicht, daß eine stabförmi ge, spitz zulaufende Kathode aus einem hitzebeständigen Metall vorgesehen ist, der eine flächenhafte Anode zugeordnet ist. Die Kathode wird auf Weißglut gehalten, während die Anode ge kühlt wird (DE-PS 10 57 697).In a known rectifier, an arc is created at each second half-wave of an applied AC voltage between a pointed cathode made of tungsten and a flat anode reignited from copper. The temperature of the arc carries more than 1200 K. The distance between the electrodes is egg a few millimeters. The reignition of the arc at everyone second half-wave is made possible by the fact that a rod-shaped ge, tapered cathode made of a heat-resistant metal is provided, which is assigned a flat anode. The cathode is kept on white heat while the anode is ge is cooled (DE-PS 10 57 697).

Vakuumdioden beruhen bekanntlich auf einer thermischen Elektro nenemission und sie benötigen für ihren Betrieb ein Hochvakuum. Gasgefüllte Dioden benutzen ebenfalls die thermische Elektro nenemission und bergen in sich die Gefahr eines unkontrollier ten Durchschlags. Halbleiterdioden benötigen zwar zum Betrieb weder ein Vakuum noch eine Heizleistung; sie sind aber untrenn bar mit einer relativ hohen Sperrschichtkapazität verbunden.Vacuum diodes are known to be based on a thermal electro emission and you need a high vacuum for their operation. Gas filled diodes also use thermal electro emission and harbor the risk of an uncontrolled breakthrough. Semiconductor diodes need to operate neither vacuum nor heating power; but they are inseparable bar associated with a relatively high junction capacity.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Diode anzu geben, bei der nur Elektronen zum Transport der Ladung beitra gen, wobei sich diese streckenweise nicht in einem Festkörper, sondern in Luft, in einem Schutzgas oder auch im Vakuum be wegen.The invention is based on the object of turning on a diode in which only electrons contribute to the transport of the charge gene, which are sometimes not in a solid, but in air, in a protective gas or in a vacuum because of.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Feldemissionsdiode verbindet die Vorteile der Halbleiterdioden mit den Vorteilen der Vakuum dioden. Sie kann beispielsweise eingesetzt werden als Span nungsbegrenzer zum Schutz von elektronischen Schaltungen gegen eingestreute Überspannungen. Der Abstand der Elektroden beträgt höchstens 10 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, insbesondere höchstens 0,3 µm. Dieser geringe Elektrodenabstand bewirkt, daß auch bei Atmosphärendruck eine Gasentladung nicht stattfinden kann.This object is achieved with the mark the features of claim 1. The field emission diode connects the advantages of semiconductor diodes with the advantages of vacuum diodes. For example, it can be used as a chip voltage limiter to protect electronic circuits against interspersed surges. The distance between the electrodes is at most 10 µm, preferably at most 1 µm, in particular at most 0.3 µm. This small electrode gap causes gas discharge does not take place even at atmospheric pressure can.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Feldemissionsdiode gemäß der Erfindung als Querschnitt schema tisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine technische Ein zelheit der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.To further explain the invention reference is made to the drawing, in Fig. 1 an embodiment of a field emission diode according to the invention is schematically illustrated as a cross section table. Fig. 2 shows a technical detail of Fig. 1 on an enlarged scale.

In der Ausführungsform einer Feldemissionsdiode gemäß Fig. 1 ist eine scheibenförmige Kathode mit einem Durchmesser d von beispielsweise etwa 2 µm, die von einer ringscheibenförmigen Anode 2 konzentrisch umgeben ist, in Mikrostruktur auf einem Substrat 3 angeordnet, das beispielsweise aus Silizium bestehen kann. Die Kathode 1 kann vorzugsweise auf einer Säule 4 ange ordnet sein. Die Anode 2 ist gegenüber dem Substrat 3 durch einen Isolator 5, der beispielsweise aus Siliziumoxid SiO oder aus Siliziumdioxid SiO₂ bestehen kann, elektrisch isoliert.In the embodiment of a field emission diode according to FIG. 1, a disk-shaped cathode with a diameter d of, for example, approximately 2 μm, which is surrounded concentrically by an annular disk-shaped anode 2 , is arranged in a microstructure on a substrate 3 , which may consist, for example, of silicon. The cathode 1 can preferably be arranged on a column 4 . The anode 2 is electrically insulated from the substrate 3 by an insulator 5 , which can consist, for example, of silicon oxide SiO or silicon dioxide SiO ₂ .

Die Kathode 1 ist an ihrem Rand abgeschrägt, so daß eine schar fe Kante entsteht, die im Querschnitt eine Spitze ergibt. Der Krümmungsradius r_K an der Kante der Kathode 1 ist deshalb wesentlich geringer als der Krümmungsradius r_A der Anode 2 in dem Oberflächenbereich, welcher dem Rand der Kathode zugewandt ist.The cathode 1 is chamfered at its edge, so that a sharp fe edge arises which results in a tip in cross section. The radius of curvature r _K at the edge of the cathode 1 is therefore substantially smaller than the radius of curvature r _{A of} the anode 2 in the surface area which faces the edge of the cathode.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 sind der Krümmungsradius r_K am äußeren Rand der Kathode 1 und der Krümmungsradius r_A am inne ren Rand der Anode 2 vergrößert dargestellt. Der Abstand A der Kathode 1 und der Anode 2 in ihren einander zugewandten Ober flächenbereichen wird 1 µm nicht wesentlich überschreiten und insbesondere hochstens 0,3 µm betragen. Mit diesem Abstand kön nen emittierte Elektronen wegen des im Vergleich zur mittleren freien Weglänge geringen Elektrodenabstands A nur ungenügend Energie auf Gasatome oder Gasmoleküle übertragen. Die Ionisie rungswahrscheinlichkeit ist deshalb so gering, daß eine Gas entladung nicht auftreten kann; die Diode kann somit auch von einer Gasatmosphäre umgeben sein.In the illustration according to FIG. 2, the radius of curvature r _K at the outer edge of the cathode 1 and the radius of curvature r _A on hold ren edge of the anode 2 are illustrated enlarged. The distance A between the cathode 1 and the anode 2 in their mutually facing upper surface areas will not substantially exceed 1 μm and in particular will be at most 0.3 μm. At this distance, due to the small electrode distance A compared to the mean free path length, emitted electrons can only transfer insufficient energy to gas atoms or gas molecules. The ionization probability is therefore so low that a gas discharge cannot occur; the diode can thus also be surrounded by a gas atmosphere.

Claims

1. Diode based on the cold emission of charge carriers of an electron conductor, characterized by the following features:

a) a substrate ( 3 ) is provided with a cathode ( 1 ) and an anode ( 2 ) made of metal with a microstructure,
b) the anode ( 2 ) is electrically insulated from the substrate ( 3 ),
c) in the mutually facing surface areas, the radius of curvature r _{K of} the cathode ( 1 ) is significantly smaller than the radius of curvature r _{A of} the anode ( 2 ),
d) the distance (A) of the cathode ( 1 ) from the anode ( 2 ) is so small that the electric field strength at the outer edge of the cathode ( 1 ) is sufficient to release electrons by field emission.

2. Diode according to claim 1, characterized by a disk-shaped cathode ( 1 ) with a bevelled, sharp-edged outer edge, which is surrounded by an annular anode ( 2 ) concentrically.

3. Diode according to claim 1, characterized in that the distance (A) of the cathode ( 1 ) from the anode ( 2 ) is at most 10 µm, preferably at most 1 µm, in particular at most 0.3 µm.