DE4115890C2

DE4115890C2 - Elektronenemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE4115890C2
Application number: DE4115890A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Itoh; Teruo Watanabe; Hisashi Nakata; Toshinori Takagi
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2011-05-16
Also published as: DE4115890A1; JPH0422038A; FR2662301A1; KR920005816A; JP2634295B2; FR2662301B1; US5189341A; KR950007673B1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronenemittierendes Bauteil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein vertikales elektronenemittierendes Bauelement, welches typischerweise ein Bauteil des Feldemissionstyps ist, ist beispielsweise aus der JP 61-221 783 A bekannt. Ein horizontales, elektronenemittierendes Bauelement ist beispielsweise in JP 64-338 33 A gezeigt, welches eine andere Ausführung eines Bauelements des Feldemissionstyps darstellt. Wenn man ein herkömmliches Bauteil des oben beschriebenen Typs in einem luftdichten oder hermetisch versiegelten Raum oder in einer Vakuumatmosphäre von etwa 10^-4 bis 10^-5 Pascal betreibt, führt dies zu Nachteilen. Insbesondere verursacht die Befestigung des Bauteils in einer luftdichten Kammer eine Verunreinigung des Emitters während des Befestigungsvorgangs, so daß das Emissionspotential des Emitters beträchtlich erhöht wird. Betreibt man das Bauteil in einer Niedrig-Vakuum-Atmosphäre, führt dies dazu, daß der Emitter jedwelches in der Atmosphäre vorhandenes Gas absorbiert, was zu einer Beeinträchtigung in der Funktionsweise des Bauteils innerhalb kurzer Zeit führt. Dies führt zu Nachteilen, wie beispielsweise die Reduzierung der Emissionseffizienz des Elements und/oder die Erhöhung des Emissionspotentials. Diese Nachteile treten insbesondere dann auf, wenn das Bauteil des Feldemissionstyps in einer luftdichten Kammer angeordnet ist. Feldemissionskathoden, die in einer hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet sind, können nicht verwendet werden, solange diese Nachteile nicht beseitigt sind.

Die Reinigung einer Feldemissionskathode durch Elektronen aus einer benachbarten Kathode ist aus DE 21 38 339 B2 vorbekannt. Bei dieser Anordnung werden Elektronen aus einer geheizten Kathode von der Feldemissionskathode aufgefangen. Ebenso ist die evakuierte Kammer mit einer Vielzahl von Elektroden ausgestattet, wobei die Emissionselektroden als Paar von Elektroden ausgebildet sind und nebeneinander in derselben Ebene liegen. Eine Vorrichtung zum Anlegen einer Feldemissions-Spannung ist ebenso aus dieser Druckschrift vorbekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektronenemittierendes Bauelement bereitzustellen, das in der Lage ist, gleichmäßig Elektronen über eine lange Zeitspanne hinweg in einer Niedrig-Vakuum-Atmosphäre zu emittieren. Insbesondere soll ein Bauelement bereitgestellt werden, das in der Lage ist, auf effektive Weise Verunreinigungen am Emitter in Folge von Gasabsorption zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch das elektronenemittierende Bauteil nach dem Hauptanspruch gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich für die Verwendung als Elektronenquelle bei verschiedenartigen Anzeigevorrichtungen, Lichtquellen, Verstärker-Bauteilen, Hochgeschwindigkeitsschaltern und Sensoren.

Nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein elektronenemittierendes Bauteil bereitgestellt, das eine Vielzahl von Emittern und ein Gate aufweist. An mindestens einen der Emitter wird abwechselnd eine Feldemissionsspannung oder eine Spannung angelegt, die größer oder gleich der Spannung am Gate ist. Das Bauteil weist ferner ein Paar von Elektroden auf, die geeignet sind, ein elektrisches Feld zur Emission von Feldelektronen aufzubauen, das sich abwechselnd zwischen den beiden Elektroden ausbildet, so daß an eine der Elektroden eine Feldelektronen-Emissionsspannung angelegt wird und als Emitter wirkt, und die andere der Elektroden an einer Spannung liegt, die höher als die angelegte Feldemissionsspannung ist und als Gate wirkt.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, elektronenemittierenden Bauteils;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, elektronenemittierenden Bauteils;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, elektronenemittierenden Bauteils;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 3 abgebildeten elektronenemittierenden Bauteils;

Fig. 5 eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, elektronenemittierenden Bauteils;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anzeigevorrichtung, bei welcher das in Fig. 5 abgebildete elektronenemittierende Bauteil eingebaut ist;

Fig. 7 Wellenform eines Signals, das an einen ausgewählten Emitter des in Fig. 6 dargestellten elektronenemittierenden Bauteils angelegt wird;

Fig. 8 einen Querschnitt einer Anzeigevorrichtung, bei welcher das in Fig. 3 dargestellte elektronenemittierende Bauteil eingebaut ist,

Fig. 9A und 9B Querschnitte zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 8 gezeigten Anzeigevorrichtung; und

Fig. 10 Wellenformen eines Signals, das an eine Elektrode der in Fig. 8 gezeigten Anzeigevorrichtung angelegt wird.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronenemittierenden Bauteils 1, das ein Substrat 2 aufweist, auf welchem eine Vielzahl von Emitterelektroden 3 getrennt voneinander angeordnet sind, so daß sie ein Paar bilden. Das Element 1 weist Emitter 4 und 5, die auf den Emitterelektroden 3 angeordnet sind, isolierende Schichten 6, ein Gate 7 und einen Kollektor 8 auf.

Das Bauteil wird so betrieben, daß, wenn ein Emitter (oder eine Emittergruppe) 4, der auf einer der voneinander getrennten Elektroden 3 angeordnet ist, unter normalen elektrischen Feld-Bedingungen Elektronen e₁ emittiert, ein positives Potential am anderen Emitter (Emittergruppe) 5 angelegt wird, das einen vorbestimmten Spannungspegel aufweist, der größer oder gleich dem Spannungspegel am Gate 7 ist. Wenn der andere Emitter, Emitter 5, Elektronen e₂ emittiert, wird ein den oben beschriebenen Spannungspegel aufweisendes, positives Potential an den Emitter 4 angelegt.

Der oben beschriebene Betrieb des Bauteils 1 ermöglicht es, daß die vom Emitter 4 emittierten Elektronen e₁ auf den Emitter 5 auftreffen, um den Emitter 5 zu reinigen, und daß die von anderen Emitter 5 emittierten Elektronen e₂ auf ähnliche Weise den Emitter 4 reinigen.

Wenn eine Sinus-Halbwelle, die gegenüber dem Gate 7 negativ ist, dem Emitter 4 zugeführt wird, wird eine positive Sinus-Halbwelle, deren Amplitude größer oder gleich dem Spannungspegel am Gate 7 ist, dem anderen Emitter 5 zugeführt, um eine Erhitzung durch Elektronenzusammenstöße bis zu einem gewissen Grad zu erzielen, so daß das am Emitter 5 absorbierte Gas entfernt werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist mindestens einen Emitter 4 oder 5 auf jeder Emitterelektrode 3 auf. Wenn eine Vielzahl von Elektroden so angeordnet sind, daß sie voneinander getrennt sind, beträgt die Anzahl der Emitter (Emittergruppen) 4 oder 5 mindestens zwei. Wenn das Bauteil des beschriebenen Ausführungsbeispiels als Anzeigevorrichtung benutzt wird, kann ein Tetroden-Aufbau verwendet werden, der so konstruiert ist, daß eine Phosphor- Ablagerungsanode zusätzlich zum Kollektor 8 angeordnet wird und ein positives Potential an die Anode angelegt wird, dessen Spannungspegel größer oder gleich dem Spannungspegel am Kollektor 8 ist. Alternativ kann ein Trioden-Aufbau eingesetzt werden, bei welchem der Kollektor 8 auch als Anode benutzt wird.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Bauteils, das einen horizontalen Aufbau aufweist.

Das Bauteil 10 des zweiten Ausführungsbeispiels weist insbesondere ein Substrat 11 auf, auf welchem Emitter 13 und 14 jeweils mit dreieckförmigen Vorsprüngen 12 ausgestattet und gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein Kollektor 17 dazwischenliegend angeordnet ist und Gates 15 und 16 zwischen Emitter 13 und Kollektor 17 bzw. zwischen Emitter 14 und Kollektor 17 liegen. Das Bauelement des zweiten Ausführungsbeispiels wird so angesteuert, daß einer der Emitter 13 oder 14 veranlaßt, Elektronen zu emittieren, während ein positives Potential, dessen vorbestimmter Spannungspegel größer oder gleich dem an den Gates 15 und 16 angelegten ist, dafür sorgt, daß ein Teil der vom Emitter 13 oder 14 emittierten Elektronen auf den anderen Emitter 14 oder 13 auftreffen, um diesen zu reinigen. Dies ermöglicht, daß ein abwechselndes Emittieren von Elektronen von den Emittern 13 und 14 gleichmäßig durchgeführt werden kann.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des Bauelements, das ebenfalls einen horizontalen Aufbau aufweist.

Das elektronenemittierende Bauelement 20 des dritten Ausführungsbeispiels weist ein Substrat 21 auf, auf welchem zwei Elektroden 22 und 23 ausgebildet sind, die jeweils einen invertierten, trapezförmigen Querschnitt aufweisen und parallel zueinander angeordnet sind, so daß sie als Emitter und als Gate dienen. Demzufolge sind die Elektroden 22 und 23 so angeordnet, daß deren scharfe Kanten 24 nach oben zeigen. Das Bauteil 20 weist ferner zwei Kollektoren 25 und 26 auf, die auf dem Substrat 21 außerhalb der Elektroden 22 bzw. 23, d. h. rechts und links davon, angeordnet sind und parallel zu diesen verlaufen.

Das Bauteil des oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels wird so angesteuert, daß abwechselnd eine Sinus-Halbwelle und eine Gate-Spannung an die Elektroden 22 und 23 oder daß positive und negative Sinuswellen abwechselnd an die Elektroden 22 und 23 angelegt werden. Eine derartige Ansteuerung erlaubt es den Elektronen e₁, die von der scharfen Kante 24 einer der als Emitter wirkenden Elektroden emittiert werden, einen der Kollektoren 25 und 26 zu erreichen und auf die andere Elektrode 23 aufzutreffen, wodurch die Elektrode 23 gereinigt wird. Bei Umkehrung wird die Elektrode 22 gereinigt.

Fig. 5 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel eines elektronenemittierenden Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, das ebenfalls einen horizontalen Aufbau aufweist.

Das elektronenemittierende Bauteil 30 des vierten Ausführungsbeispiels weist ein Substrat 31 auf, auf welchem eine Vielzahl von Doppelelektrodensätzen 32 und 33 angeordnet sind, die als Emitter und Gates wirken und teleskopartig angeordnet sind. Die Elektroden 32 und 33 weisen jeweils eine Anzahl von spitzen Vorsprüngen 34 auf, so daß sie sägezahnförmig ausgebildet sind. Die spitzen Vorsprünge 34 der Elektroden 32 und 33 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Ferner weist das Bauelement des beschriebenen Ausführungsbeispiels einen Kollektor 35 auf.

An die Elektroden 32 und 33 wird abwechselnd eine Sinus-Halbwelle und eine Gate-Spannung oder eine positive und negative Sinuswelle wie im dritten Ausführungsbeispiel angelegt, das anhand der Fig. 3 und 4 erläutert wurde. Daher zeichnet sich diese Ausführungsform durch die gleiche Funktionsweise und gleichen Vorteile wie die dritte Ausführungsform aus.

Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Anzeigevorrichtung, bei der das Prinzip einer Fluoreszenzanzeige angewandt wird und in der das Bauelement aus Fig. 4 eingebaut ist.

In der Anzeigevorrichtung aus Fig. 6 ist eine Kombination von Elektroden 32 und 33 auf einem ersten Substrat 40 teleskopartig angeordnet. Elektroden C_L sind miteinander verbunden, gemeinsam nach außen gezogen und werden mit einem Ansteuerungs- Signal gespeist. Die anderen Elektroden C_U, welche miteinander verbunden und gemeinsam nach außen gezogen sind, werden mit einem Ansteuerungssignal gespeist, das synchron mit dem Ansteuerungssignal der Elektroden C_L ist, so daß jeder erwünschte Emitter innerhalb der Matrix angewählt werden kann. Dem angewählten Emitter wird ein Signal gemäß Fig. 7 zugeführt.

Auch in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel wird der Kollektor 35 (Fig. 5) durch eine transparente Elektrode 42 ersetzt, die auf einem zweiten Substrat 41 ausgebildet ist, das gegenüber dem ersten Substrat 40 angeordnet ist, so daß sie als Anode wirkt. Die transparente Elektrode 42 ist streifenförmig ausgebildet, auf welcher Phosphorschichten R, G und B von roter, grüner und blauer fluoreszierender Farbe in wiederholter Abfolge angebracht sind.

In der Anzeigevorrichtung nach Fig. 6 ermöglicht das Anlegen eines Signals, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, an jede der Elektroden C_L und C_U, daß Elektronen von den Elektroden 32 und 33 an bestimmten Positionen emittiert werden und die Phosphorschichten R, G und B auf punktförmige Weise angewählt werden.

Fig. 8 zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel eine Anzeigevorrichtung, bei der das Prinzip einer Fluoreszensanzeigevorrichtung Anwendung findet und bei der das Ausführungsbeispiel, das gemäß den Fig. 3 und 4 konstruiert ist, eingebaut ist.

In der in Fig. 8 gezeigten Anzeigevorrichtung ist ein Paar von invertiert trapezförmigen Elektroden 52 und 53 auf einem isolierenden Substrat 50 über einer isolierenden Schicht 51 angeordnet, so daß sie parallel zueinander verlaufen. Die Anzeigevorrichtung weist ebenfalls Anoden 56 und 57 auf, welche auf dem Substrat mit Phosphorschichten 54 und 55 angebracht und außerhalb der Elektroden 52 bzw. 53 angeordnet sind. Die Elektroden 52 und 53 sind mit Spannungsquellen E₁ und E₂ verbunden, so daß Sinuswellen, deren Phasen um 180° gegeneinander verschoben sind (Fig. 10), oder Rechteckwellen den Elektroden 52 bzw. 53 zugeführt werden. Den Anoden 56 und 57 wird ebenfalls eine Spannung zugeführt, welche positiv gegenüber der der Elektroden 52 und 53 ist.

Die Anzeigenvorrichtung gemäß Fig. 8 wird angesteuert, indem wie in Fig. 10 gezeigte Sinuswellen an die Elektroden 52 und 53 und ein positives Potential an eine der Anoden 56 und 57 angelegt wird. Zu einem Zeitpunkt t₁ (Fig. 10) wirkt die rechte Elektrode 53 als Emitter (Fig. 9A), so daß die davon emittierten Elektronen auf die Phosphorschicht 54 der linken Anode 56 auftreffen. Gleichzeitig trifft ein Teil der Elektronen auf die linke Elektrode 52 auf, die als ein Gate wirkt, und reinigt diese. Zu einem Zeitpunkt t₂ wirkt die linke Elektrode 52 als Emitter (Fig. 9B), so daß die rechte Anode 57 Elektronen emittiert, wobei die rechte Elektrode 53 gereinigt wird.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht das Bauteil, daß ein Teil der vom Emitter emittierten Elektronen auf einen anderen Emitter, der für die Emission bereit ist, auftreffen, um diesen zu reinigen. Folglich verhindert die vorliegende Erfindung eine Verunreinigung des Emitters infolge von Absorption der darauf befindlichen Gase, wodurch eine gleichmäßige Emission von Elektronen über eine lange Zeitspanne hinaus und auch in einer Niedrig-Vakuum-Atmosphäre sichergestellt ist.

Claims

1. Elektronenemittierendes Bauteil mit einer evakuierten Kammer, einer Vielzahl von in der Kammer angeordnete Elektroden (3, 7), wobei die Elektroden als Paar von Elektroden ausgebildet sind, die nebeneinander in derselben Ebene angeordnet sind, und mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer Feldemissionsspannung an eine der beiden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 13, 14) einen dreieckförmigen Vorsprung (12) aufweisen, und daß die Vorrichtung die Feldemissionsspannung an eine der beiden Elektroden derart anlegt, daß diese Elektrode als Emitter wirkt, und eine Spannung, die höher als die Feldemissionsspannung ist, an die andere der Elektroden derart anlegt, daß diese Elektrode als Gate wirkt, wodurch ein elektrisches Feld abwechselnd zwischen den Elektroden aufgebaut wird, das die Emission von Feldelektronen ermöglicht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gate-Elektrode (7) eine Spannung angelegt wird, die gleich der an die Emitterelektrode (3) angelegten Feldemissionsspannung ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Kollektor-Elektrode (17) aufweist, die benachbart zum Paar von Elektroden (13, 14, 15, 16) angeordnet ist.

4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode des Paars von Elektroden (22, 23) in einer invertiert trapezartigen Form ausgebildet ist und die jeweilige Kollektor-Elektrode (25, 26) so angeordnet ist, daß sie außerhalb der Elektroden auf einem Substrat (11) angeordnet ist und parallel zu diesen verläuft.

5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Elektroden (32, 33) doppelkammartig angeordnet ist.

6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelkammartig angeordneten Elektroden (32, 33) auf einem ersten Substrat (40) angeordnet sind und eine transparente Elektrode (42), die als Anode wirkt, auf einem zweiten Substrat (41) vorgesehen und gegenüber dem ersten Substrat angeordnet ist.

7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Elektrode (42) streifenförmig ausgebildet und mit Phosphorschichten von roter, grüner und blauer, fluoreszierender Farbe in Abfolge beschichtet ist.

8. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Elektroden (52, 53) durch eine isolierende Schicht (51) hindurch auf dem Substrat (50) angeordnet ist, und daß auf dem Substrat Anoden (56, 57) mit Phosphorschichten (54, 55) angebracht sind, die außerhalb der Elektroden angeordnet sind.

9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß um 180° phasenverschobene Sinusspannungen oder Rechteckspannungen an die jeweiligen Elektroden (52, 53) angelegt werden, und daß eine Spannung, die gegenüber der der Elektroden positiv ist, an jede der Anoden (56, 57) angelegt wird.