DE4426594C2

DE4426594C2 - Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE4426594C2
Application number: DE4426594A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Matsuzaki; Akira Amano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: US5631524A; JPH0745205A; DE4426594A1; JP3075024B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit Elektronen emission von einer Kaltkathode (Feldemission), und genauer, eine Schaltvorrichtung, deren Schaltbetrieb mittels einer elektromagnetischen Welle (typischerweise einer Mikrowelle) steuerbar ist.

Im Stand der Technik sind Vakuumröhren bekannt, die eine heiße Kathode als Elektronenemissionsquelle verwenden, welche ein Vorheizen erfordert. Daher verbrauchen Vakuumröhren viel Ener gie. Die heiße Kathode eignet sich wegen ihrer zusätzlichen Heizeinrichtung nicht für eine Miniaturisierung und Integra tion unter Einsatz der Halbleitertechnologie. Als Alternativen zur Vakuumröhre finden Kaltkathoden-Elektronenemissionsvor richtungen zunehmend Beachtung. Solche Vorrichtungen enthalten ein Elektronenfeldemissionsemitterelement, das Elektronen durch Anlegen eines hohen lokalen elektrischen Feldes emit tiert.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektronenfeldemis sionselements, wie es beispielsweise aus der Druckschrift Journal of Applied Physics, Band 47, Nr. 12, Dezember 1976, Seite 5248, bekannt ist. Die Fig. 6(A) bis 6(D) sind Schnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstel lung eines Elements gemäß Fig. 5.

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt das bekannte Elektronenfeldemis sionselement ein Siliziumsubstrat 1, auf dem eine Isolier schicht 3 (Siliziumoxidschicht) ausgebildet ist, welche mit einer Öffnung 4 versehen ist. In der Öffnung 4 ist auf dem Siliziumsubstrat 1 eine konische Kaltkathode 2 aus Mo ausgebildet. Eine Steuerelektrode 5 befindet sich auf der Isolier schicht 3 und erstreckt sich teilweise über die Öffnung 4. Die Kaltkathode 2 und die Steuerelektrode 5, die einen Elektronen emitter bilden, sind mittels eines nicht dargestellten Abdichtelements in einem evakuierten Raum eingeschlossen. Ein an die Steuerelektrode 5 angelegtes, gegenüber der Kaltkathode 2 positives elektrisches Potential führt zur Konzentration eines elektrischen Feldes hoher Intensität an der scharfen Spitze der Kaltkathode 2. Das hohe elektrische Feld modifi ziert die Austrittsarbeit der Kaltkathode 2 und verschmälert die Potentialbarriere an der Grenzflä che der Kaltkathode 2, wodurch Elektronen durch Feldemission aufgrund eines quantenmechanischen Tunnelprozesses basierend auf dem Schottky-Effekt emittiert werden. Dieses mit der koni schen Kaltkathode 2 versehene Elektronenemitterelement wird auf folgende Weise hergestellt.

Wie in Fig. 6(A) gezeigt, wird die Siliziumoxidisolierschicht 3 auf dem beispielsweise aus Silizium bestehenden Halbleiter substrat 1 ausgebildet. Die Steuerelektrode 5 wird durch Musterung einer auf der Isolierschicht 3 abgeschiedenen Mo- Schicht ausgebildet. Dann wird die Öffnung 4 durch selektives Ätzen erzeugt. Wie in Fig. 6(B) gezeigt, wird das Substrat 1 um die X-Achse gedreht und durch Dampfabscheidung eine Alumi niumschicht 6 auf der Steuerelektrode 5 so ausgebildet, daß die Endflächen der Aluminiumschicht 6 gemäß Darstellung um einen vorbestimmten Winkel θ geneigt sind. Dann wird gemäß Darstellung in Fig. 6(C) Molybdän mittels einer Elektronen strahldampfabscheidungstechnik vertikal auf dem Substrat 1 abgeschieden. Da das Molybdän auf den Seitenflächen der Aluminiumschicht 6 sowie auf der Aluminiumschicht 6 und dem Substrat 1 durch den Elektronenstrahlabscheidungsprozeß abge schieden wird, werden der Durchmesser einer Öffnung in der Aluminiumschicht 6 und damit die Abscheidungsfläche der Molybdänschicht auf dem Substrat 1 mit fortschreitender Abscheidung der Molybdänschicht 7 zunehmend kleiner. Auf diese Weise wird die konische Kathode 2 auf dem Substrat 1 ausgebildet. Schließlich wird gemäß Darstellung in Fig. 6(D) das Elektronenemitterelement, das mit der konischen Kaltkathode 2 und der der scharfen Spitze der Kathode 2 zugewandten Steuer elektrode 5 versehen ist, durch Entfernen der Molybdänschicht 7 und der Aluminiumschicht 6 erhalten.

Das auf Feldemission beruhende Elektronenemitterelement, das oben beschrieben wurde, ist insofern attraktiv, als es keine Vorheizeinrichtung erfordert und einen Aufbau besitzt, der sich gut für eine Verkleinerung eignet. Die Produktionsge nauigkeit und Reproduzierbarkeit von Fläche und Höhe sowie die Ausbeute der konischen Kathode 2 sind jedoch nicht ausreichend, um eine praktische Verwendung dieser bekannten Vorrich tung zu erlauben, da die konische Kathode 2 durch allmähliches Schließen der Öffnung durch Dampfabscheidung ausgebildet wird.

Das bekannte Elektronenemitterelement eignet sich nicht für den Einsatz bei Schaltvorrichtungen mit hoher Stromkapazität, da der von der Spitze des Elektronenemitters erhaltene Strom (Emitterstromdichte) klein ist.

Die DE 37 21 529 A1 offenbart einen gaselektronischen Schalter mit einer Kaltkathode und einer Anode, die in einer mit ioni sierbarem Niederdruckgas gefüllten Vakuumkammer angeordnet sind. Der Dunkelstrom von der Kathode zur Anode kann durch einen zum Zweck des Triggerns des Schalters ausgelösten Foto- Elektronenstrom verstärkt werden, der durch Beleuchtung des Kathodenraums mit Hilfe einer gepulsten Lichtquelle erzeugt wird.

Die DE 27 05 488 A1 beschreibt eine steuerbare elektrische Hochspannungsschalteinrichtung, bei der mit Hilfe eines Magnetfeldes, das senkrecht oder parallel zum zwischen den Elektroden gebildeten elektrischen Feld verläuft, die zwischen den Elektroden befindlichen Ladungsträger auf bestimmte Bahnen gelenkt werden und auf diese Weise wegen der aufgrund verlängerter Bewegungsbahnen erhöhten Ionisation einen gezielten Durchschlag zwischen den Elektroden herbeiführen.

Ausgehend von dem Voranstehenden ist es Aufgabe der vorliegen den Erfindung, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, die sich zum Schalten großer Ströme eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die beanspruchte Schaltvorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Schalt vorrichtung gelöst, die eine Einrichtung zur Emission von Elektronen von einer Kaltkathode durch Feldemission und eine Einrichtung zur Vervielfachung dieser emittierten Elektronen (Elek tronenlawine) durch gegenseitige Einwirkung unter den emit tierten Elektronen, einer elektromagnetischen Welle und Atomen oder Molekülen eines verdünnten Gases aufweist.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung erzielt einen großen Strom durch Auslösung einer Elektronenlawine aufgrund dieser gegenseitigen Einwirkung zwischen durch Feldemission von der Kaltkathode emittierten Elektronen, der elek tromagnetischen Welle und den Atomen oder Molekülen des verdünnten Gases.

Bei einer Ausführungsform der Schaltvorrichtung werden beschleunigte Elektronen durch Zyklotronresonanz erzeugt und die Atome eines verdünnten Gases durch Kollision mit den beschleunigten Elektronen ionisiert.

Die Ausführungsform der Schaltvorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung umfaßt zusätzlich zu den grundsätzlichen struk turellen Elementen einer herkömmlichen Miniaturvakuumröhre eine isolierende Abdichteinrichtung zum Einschließen von verdünntem Gas in dem Vakuumraum, eine Magnetfeldanlegeanordnung zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Vakuumraum orthogonal zu einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode, und eine elektromagnetische Bestrahlungsanordnung zum inter mittierenden Einstrahlen einer elektromagnetischen Welle in den Vakuumraum. Bei dieser Ausführungsform wird die freie Weg länge eines als ein geladenes Teilchen durch Feldemission emittierten Elektrons auf seinem Weg zu der ihn anziehenden Anode durch Zyklotronrotation, verstärkt durch das orthogonale Magnetfeld, verlängert. Das rotierende Elektron wird durch wiederholte Zufuhr kinetischer Energie beschleunigt, die auf der Zyklotronresonanz beruht, wenn die Zyklotronkreisfrequenz ω_c des Elektrons, die von der magnetischen Induktion orthogo nal zur Rotationsbahn des Elektrons bestimmt wird, und eine Kreisfrequenz ω_f einer bestrahlenden elektromagnetischen Welle übereinstimmen. Das beschleunigte Elektron stößt mit Molekülen des verdünnten Gases zusammen und ionisiert die Gas moleküle. Die durch die Ionisation multiplizierten Elektronen werden von der Anode eingefangen, während die ionisierten Teilchen von der Kathode eingefangen werden. Der Anodenstrom, den man im Fall der Verstärkung der Zyklotronresonanz erhält, ist sehr viel größer als der Anodenstrom, der nur auf den Elektronen beruht, die vorhanden sind, wenn die Zyklotronreso nanz nicht verstärkt wird. Elektronen werden aus der Kathode 13 ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform durch den Schottky-Effekt (Tunneleffekt) herausgezogen. Die Stromdichte j der von der Kathode 13 durch Feldemission emittierten Elek tronen ist durch die nachfolgende Fowler-Nordheim-Gleichung gegeben:

j = BE₀ ²exp(-C/E₀), (1)

in der E₀ ein externes elektrisches Feld an der Grenzfläche der Kathode und B und C Konstanten sind. Obwohl die Gleichung (1) unter der Annahme abgeleitet ist, daß Elektronen von nied rigeren Niveaus als dem Fermi-Niveau bei 0°K emittiert werden, hat sich experimentell gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Gleichung so ist, daß die Gleichung auch bei höheren Temperaturen als der Raumtemperatur gültig ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird ein feldemittiertes Elektron aufgrund eines elektrischen Feldes E zwischen Kathode und Anode mit einer Driftgeschwindigkeit längs der X-Richtung zur Anode angezogen. Das bewegte Elektron rotiert zusätzlich (d. h. führt eine kreisförmige Bewegung aus) auf einer XY-Ebene in einem orthogonalen Koordinatensystem, bei dem die X-Achse in Richtung des elektrischen Feldes E weist und die Z-Achse längs dem gleichförmigen orthogonalen Magnetfeld verläuft, das von der Magnetfeldanlegeanordnung angelegt wird, wobei die Drehung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_c erfolgt, die durch die nachfolgende Gleichung gegeben ist:

ω_c = eB/m = 175,65B [GHz] (2)

wobei e die elektrische Ladung eines Elektrons, m die Masse eines Elektrons und B die magnetische Flussdichte des orthogonalen Magnetfeldes sind. Die Zyklotronkreisfrequenz ω_c hängt nicht von der Geschwindigkeit eines Elektrons ab und ist proportional zur magnetischen Flussdichte B. Daher nimmt mit zunehmender magnetischer Flussdichte B die Winkelgeschwindig keit ω_c zu, während die Rotationsbahn (Bewegungsbahnlänge) des Elektrons länger wird. Das Elektron kreist also, während es sich zur Anode bewegt.

In diesem Zustand wird eine Zyklotronresonanz unter einer speziellen Bedingung hervorgerufen bzw. verstärkt, während eine elektromagnetische Welle die Elektronenbahn bestrahlt. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Schwingungskreisfrequenz ω_f der elektromagnetischen Welle mit der Zyklotronkreisfrequenz ω_c zusammenfällt und die elektrische Feldrichtung der bestrahlenden elektromagnetischen Welle mit der X-Achse zusammenfällt, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Elektrons größer, und der durch die folgende Gleichung gegebene Rota tionsradius R nimmt allmählich zu:

R = mv/(eB) = v/ω_c (3)

Das Elektron bewegt sich also auf einer spiralförmigen Bahn zur Anode. Mittels der isolierenden Abdichteinrichtung ist in dem Vakuumraum verdünntes Gas eingeschlossen. Da das durch die Zyklotronresonanz beschleunigte Elektron eine kinetische Ener gie erhält, die höher ist als die Energie zum Abspalten eines Elektrons von einem Molekül (Atom) M des verdünnten Gases, und da der Kollisionsquerschnitt infolge der verlängerten Bewegungsbahn als Ergebnis der Spiralbewegung des Elektrons groß ist, stößt das beschleunigte Elektron mit einem Gasmolekül M zusammen und ionisiert dieses unter Abspaltung von einem oder zwei Ionisationselektronen. Da das Ionisationselektron oder die Ionisationselektronen dann zur Auslösung weiterer Ionisationen von Gasmolekülen oder - atomen beschleunigt werden, steigt die Zahl multiplizierter Elektronen und Ionen in dem Vakuumraum exponentiell an. Die Elektronen werden von der Anode eingefangen, und die Ionen von der Kathode. Wenn die Anode nur feldemittierte Elektronen einfängt, das heißt wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird (in einem Aus-Zeitabschnitt), erzeugt die Anode nur einen geringen Anodenstrom, während, wenn die Zyklotronresonanz verstärkt wird (in einem Ein-Zeitabschnitt), aufgrund der vervielfachten Ladungsträger ein großer Anodenstrom beobachtet wird.

Diese Ausführungsform, bei der die Anzahl von Ladungsträgern durch Ionisation mittels der Zyklotronresonanz und Kollision der resonierenden Elektronen mit Atomen vergrößert wird, erleichtert die Erhöhung der Schaltstromdichte sowie die Herstellung der Schaltvorrichtung mit ausgezeichneter Reprodu zierbarkeit und hoher Ausbeute. Diese Ausführungsform der Schaltvorrichtung ermöglicht ein Absenken des Anodenpotentials auf einen geringeren Wert als bei einer Schaltvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie mittels herkömmlicher Halbleiterverarbeitungstechniken herge stellt werden kann und sich gut für eine Verkleinerung sowie für eine Massenproduktion eignet.

Da kammzinkenartige Spitzen der Feldemissionskathode leicht mittels Photolithographie hergestellt werden können, kann der Anoden strom leicht vergrößert werden, und ungünstige statistische Verteilungen der strukturellen Parameter und der Leistung der Schaltvorrichtung können minimiert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Halbleiterchips für eine Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1(a) eine perspek tivische Ansicht und Fig. 1(b) eine Schnittansicht ist,

Fig. 2 schematisch diese Ausführungsform der Schaltvorrich tung, wobei Fig. 2(a) eine perspektivische Ansicht und Fig. 2(b) eine Draufsicht ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Zyklotronresonanz bei dieser Ausführungsform,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Anodenstrom und der Gatespannung bei dieser Ausführungsform,

Fig. 5 in einer schematischen Schnittansicht den Aufbau eines Feldemissions-Elektronenemitterelements gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 6(A)-(D) Schnittansichten zur Erläuterung des Herstel lungsverfahrens für das Element von Fig. 5.

Fig. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau eines Halbleiterchips einer Ausführungsform einer von einer elektromagnetischen Welle (Mikrowelle) gesteuerten Schaltvorrichtung zeigt, während Fig. 1(b) eine Schnittansicht des Halbleiterchips dieser Ausführungsform ist. Fig. 2(a) ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau der Schaltvorrichtung dieser Ausführungsform zeigt, während Fig. 2(b) eine Drauf sicht auf diese Ausführungsform ist.

Die Schaltvorrichtung 20 dieser Ausführungsform umfaßt auf einem Siliziumsubstrat 11 eine Siliziumoxidisolierschicht 12, in der eine Ausnehmung 12a in der Form eines umgekehrten Trapezes ausgebildet ist, eine Wolframkaltkathode (Emitter elektrode) 13, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und viele kammzinkenartige Spitzen aufweist, die sich von einer Seite über die Ausnehmung 12a erstrecken, eine rechteck förmige Molybdän-Gateelektrode (Steuerelektrode) 14, die in der Ausnehmung 12a auf der Seite der Kaltkathode 13 angeordnet ist, eine Wolframanode (Kollektorelektrode) 15, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und sich von der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite über die Ausnehmung 12a erstreckt, ein isolierendes Abdichtteil 26 aus Quarz, das an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung 26a versehen ist, die zusammen mit der Ausnehmung 12a einen Vakuumraum 17 bildet, in dem verdünntes Wasserstoffgas eingeschlossen ist, einen Magne ten 28 mit einer magnetischen Flussdichte von z. B. 1 T mit einem auf dem Abdichtteil 26 angeordneten oberen N-Pol und einem an der Unterseite des Substrates 11 angeordneten unteren S-Pol zum Anlegen eines Magnetfeldes orthogonal zu einem zwischen der Kathode 13 und der Anode 15 angelegten elektrischen Feld, und einen Hochfrequenzoszillator 29 mit parallelen Elektroden 29a und 29b, die auf der Vorderseite bzw. der Rückseite des Halb leiterchips angeordnet sind, um eine Mikrowelle in den Vakuum raum 17 zu strahlen.

Typische Konfigurationsparameter dieser Ausführungsform sind wie folgt: Größe (Chipgröße) des Halbleitersubstrats 11: 2 mm × 2 mm; Dicke der Kathode 13: 0,2 µm; Kantenbreite der kamm zinkenartigen Spitzen: 3 µm; Mittenabstand der Spitzen: 6 µm, wobei die Kathode 13 etwa 270 Spitzen und eine Gesamtbreite von etwa 1,6 mm aufweist; Dicke, Länge und Breite der Gate elektrode 14: 0,2 µm, 1,6 mm bzw. 3 µm; Dicke und Breite der Anode 15: 0,2 µm bzw. 1,6 mm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Gateelektrode 14: 0,7 µm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Anode 15: 10 µm. Der Vakuumraum 17 ist mit 3 × 10^-19 Molen verdünnten Wasserstoffgases gefüllt, und der Druck beträgt 6,67 × 10^-6 Pa.

Ein Nullpotential oder negatives elektrisches Potential wird an die Kathode 13 angelegt. Ein positives elektrisches Potential wird an die Gateelektrode 14 angelegt. Ein elektrisches Poten tial höher als das an der Gateelektrode wird an die Anode 15 angelegt. Da das elektrische Feld der Gateelektrode 14 die Austrittsarbeit von Wolfram moduliert und die Potentialbar riere an der Grenzfläche der Kathode 13 schmäler macht, werden Elektronen aus der Kathode 13 aufgrund des Schottky-Effekts (Tunneleffekt) herausgezogen.

Es ist aufgrund von Experimenten bekannt, daß die Stromdichte der durch Feldemission längs der X-Achse von der Kathode 13 emittierten Elektronen wenig Temperaturabhängigkeit zeigt. Die Stromdichte dieser feldemittierten Elektronen weist unter hohen Temperaturen oder unter Strahlungsaussetzung einen nahezu stabilen Wert auf. Da alle Stirnflächen der kammzinken artigen Spitzen der Kathode 13 in bezug auf die Gateelektrode 14 gleich angeordnet sind, ergeben sich von der Stirnfläche der einzelnen Spitzen gleiche Stromdichten.

Damit sind die Schwellenspannung der Feldemission an der Stirnfläche aller Spitzen und die Anfangsgeschwindigkeit der an diesen Stirnflächen emittierten Elektronen jeweils gleich.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Zyklotronresonanz bei der zweiten Ausführungsform. Wie in Fig. 3 gezeigt, bewegt sich ein feldemittiertes Elektron unter dem Einfluß des elektrischen Feldes E zwischen der Kathode und der Anode 15 in Richtung auf die Anode 15. Da durch den Magneten 28 ein gleichförmiges Magnetfeld B orthogo nal zu dem elektrischen Feld E in dem Vakuumraum 17 anliegt, rotieren die Elektronen (führen eine kreisförmige Bewegung aus) auf der XY-Ebene mit einer Winkelfrequenz ω_c. Diese Zyklotronwinkelfrequenz hängt nicht von der Geschwindigkeit des Elektrons ab und ist proportional zur magnetischen Flussdichte B.

Daher steigt die Winkelfrequenz ω_c unter Vergrößerung der Rotationsbahn (Bahnlänge) des Elektrons mit zunehmender magne tischer Flussdichte B. Das Elektron kreist also, während es sich zur Anode 15 bewegt. Wenn in dieser Situation ein Verschie bungsstrom (elektromagnetische Welle), dessen Kreisfrequenz ω_f mit der Zyklotronwinkelfrequenz ω_c zusammen fällt und dessen elektrische Feldrichtung mit der X-Achse zusammenfällt, die Elektronenbahn bestrahlt (Ein-Periode der Elektromagnetwellenbestrahlung), dann wird das Elektron durch die bestrahlende elektromagnetische Welle zu einem Maximum beschleunigt, so daß es schneller kreist und der Radius R seiner Kreisbahn allmählich zunimmt. Das Elektron bewegt sich daher längs einer spiralförmigen Bahn zu der Anode 15. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Zyklotronresonanz einmal verstärkt oder angeregt wurde, wird ein Molekül M des verdünn ten Wasserstoffgases durch Kollision mit dem beschleunigten Elektron ionisiert und gibt ein Elektron frei. Da das freige lassene Elektron dann beschleunigt wird und eine weitere Ioni sation von Wasserstoffgasmolekülen auslöst, nimmt die Zahl von Elektronen und Ionen in dem Vakuumraum 17 exponentiell zu. Die vervielfachten Elektronen werden von der Anode 15 eingefangen, während die Ionen (Wasserstoffkerne) an der Kathode 13 rekom binieren.

Wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird (Aus-Periode der Elektromagnetwellenbestrahlung), dann werden an der Anode nur die feldemittierten Elektronen eingefangen und führen zu einem kleinen Anodenstrom. Wird die Zyklotronresonanz dagegen verstärkt, ergibt sich ein großer Anodenstrom (Schaltstrom), verstärkt durch die vervielfachten Ladungsträger.

Fig. 4 zeigt mit einer gestrichelten Linie die Abhängigkeit des Anodenstroms von der Gatespannung, wie sie sich beim Stand der Technik ergibt, bei dem der Anodenstrom nur auf emittierten Elek tronen beruht, und mit einer ausgezogenen Linie die Abhängigkeit des Anodenstroms von der Gatespannung, wenn eine Hochfre quenzwelle von 175,65 GHz eingestrahlt wird. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, wird der Anodenstrom bei einer Gatespannung von 200 V durch die Elektromagnetwellenbestrah lung gegenüber dem Stand der Technik um mehr als eine Größen ordnung erhöht. Die Vervielfachung der Ladungsträger durch Beschleunigung der Elektronen mittels der Zykltronresonanz und der Ionisation wird also wirksam ausgenutzt.

Ein Dauermagnet, aber auch ein Elektromagnet, können als Magnet 28 bei der zweiten Ausführungsform verwendet werden. Der Grundaufbau dieser Ausführungsform kann in einer Zelle integriert werden, und eine Vielzahl solcher Zellen können ihrerseits auf einem Halbleiterchip integriert werden.

Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, gewinnt die vorliegende Erfindung eine hohe Stromdichte (einen großen Schaltstrom) durch eine lawinenartige Elektronenvervielfa chung, ausgelöst oder verstärkt durch eine gegenseitige Beein flussung von durch Feldemission von der Kaltkathode emittier ten Elektronen, einer elektromagnetischen Welle und den Atomen (Molekülen) des verdünnten Gases. Die vorliegende Erfindung hat daher folgende Wirkungen:

1. Da ein ausreichend großer Strom leicht erreicht wird, bestehen bei der Gestaltung von Aufbau und Form der Kaltkathode wenig Beschränkungen. Diese Gestaltungsfreiheit erleich tert darüber hinaus die Herstellung der Schaltvorrichtung mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und hoher Ausbeute.
2. Da ein ausreichend großer Strom erzielt wird, kann das Anodenpotential auf einem niedrigeren Wert als bei der bekann ten Schaltvorrichtung gehalten werden.
3. Durch Ein- und Ausschalten der Bestrahlung mit einer elek tromagnetischen Welle wird erreicht, daß ein Strom mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden kann.
4. Da die kammzinkenartigen Spitzen der Kathode leicht mittels herkömmlicher photolithographischer Technik ausgebil det werden können, werden ungünstige statistische Streuungen bei der Herstellung und der Leistungsfähigkeit der Schaltvor richtung minimal.

Claims

1. Von einer elektromagnetischen Welle betätigbare Schaltvorrichtung, umfassend:
eine Elektronenemissionsanordnung (13, 14) mit einer Kaltkathode (13), die aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes Elektronen emittiert,
eine Elektroneneinfanganordnung mit einer Anode (15), die der Kathode (13) in einem Vakuumraum (17) gegenüberliegend angeordnet ist, um von der Kathode emittierte Elektronen einzufangen,
eine Magnetfeldanlegeanordnung (28) zum Anlegen eines Magnetfeldes orthogonal zu einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode in dem Vakuumraum,
eine isolierende Abdichtanordnung (26) zum Einschluß eines verdünnten Gases in dem Vakuumraum (17), und
eine Bestrahlungsanordnung zum intermittierenden Einstrahlen einer elektromagnetischen Welle in den Vakuumraum (17).

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch. 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sie auf einem Halbleitersubstrat (11) eine mit einer Ausnehmung (12a) versehene Isolierschicht (12) aufweist, die Kathode (13) auf einer Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht und die Anode (15) auf der gegenüberliegenden anderen Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht ausgebil det ist, auf der Seite der Kathode in der Ausnehmung eine Steuerelektrode (14) vorgesehen ist, und die Ausnehmung (12a) zusammen mit der Abdichtanordnung den die Kathode, die Anode und die Steuerelektrode einschließenden Vakuumraum (17) bildet.

3. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) eine Vielzahl von kammzinkenartigen Spitzen aufweist.