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Technisches Gebiet und
Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Struktur, die
eine Feldeffekt-Elektronenquelle umfasst.
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Eine
Feldeffekt-Elektronenquelle präsentiert sich
generell in Form einer Vielzahl von Mikrospitzen, oder Stiften (plots),
die als Elektronenkanonen benutzt werden.
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Die
Mikrospitzen, oder Stifte, können
auf eine Beschleunigungsanode ausgerichtet sein, die mit einem lumineszierenden
Material überzogen
ist. Dieses Material emittiert als Reaktion auf die Elektronen ein
sichtbares Licht, das für
eine Anzeige benutzt werden kann.
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Die
Mikrospitzen, oder Stifte, können
auch auf eine Anode ausgerichtet sein, die mit einem Material versehen
ist, das fähig
ist, Röntgenstrahlen
zu emittieren, als Reaktion auf die Anregung der Elektronen.
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Derart
findet die Erfindung Anwendungen bei der Herstellung von Flachbildschirm-Anzeigevorrichtungen
und bei der Realisierung von Röntgenstrahlenröhren oder
jeder anderen, eine Elektronenquelle mit Feldeffektelementen (Mikrospitzen,
Stifte, usw.) umfassenden Vorrichtung.
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In
der Folge der Beschreibung wird aus Gründen der Vereinfachung meistens
das Beispiel eines Bildschirms mit einer Mikrospitzenquelle genommen.
Jedoch kann die Erfindung generell bei jeder Struktur angewendet
werden, die eine Feldeffekt-Elektronenquelle benutzt.
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Die 1 zeigt
eine Querschnittansicht eines Mikrospitzen-Bildschirms nach dem
Stand der Technik. Aus Gründen
der Vereinfachung sind nur einige ausgerichtete Mikrospitzen dargestellt.
Der Bildschirm wird gebildet durch eine Katode 1, die eine plane
Struktur ist, die einer anderen planen Struktur gegenübersteht,
welche die Anode 2 bildet. Die Katode 1 und die
Anode 2 sind getrennt durch einen Raum, in dem Vakuum herrscht.
Die Katode 1 umfasst ein Glassubstrat 3, auf dem
das leitfähige
Niveau 4 abgeschieden ist, das Kontakt hat mit elektronenemittierenden
Spitzen 5. Das leitfähige
Niveau 4 kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Es
umfasst Katodenleiter, die generell mit einer resistiven Schicht
verbunden sind. Die Katodenleiter können diverse Geometrien bilden
und insbesondere Netzwerke. Das leitfähige Niveau 4 ist
mit einer isolierenden Schicht 6 überzogen, zum Beispiel aus
Siliciumoxid, die ihrerseits von einer leitfähigen Schicht 7 überzogen
ist. Durch die Schichten 6 und 7 hindurch sind
Löcher 8 mit
einem Durchmesser von ungefähr
1 μm realisiert
worden, bis auf das leitfähige Niveau 4,
um auf diesem leitfähigen
Niveau die Spitzen 5 abzuscheiden. Die leitfähige Schicht 7 dient
als Extraktionsgitter für
die durch die Spitzen 5 emittierten Elektronen. Die Anode 2 umfasst
ein generell transparentes Substrat 9, überzogen mit einer generell
transparenten Elektrode 10, auf der ein oder mehrere lumineszierende
oder luminophore Materialien 11 abgeschieden sind.
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Nun
wird der Betrieb dieses Bildschirms beschrieben. Die Anode 2 wird
in Bezug auf die Spitzen 5 auf ein positives Potential
von mehreren hundert Volt gebracht. An das Extraktionsgitter 7 legt
man ein positives Potential von einigen zehn Volt in Bezug auf die
Spitzen 5. Dadurch werden den Spitzen 5 Elektronen
entrissen, die von der Anode 2 angezogen werden. Die Bahnen
der Elektronen sind in einem Konus mit dem von mehreren Parametern
abhängigen
Spitzenhalbwinkel θ enthalten.
Der Elektronenstrahl 12 entfokussiert um so mehr, je weiter
die Anode von der Katode entfernt ist. Eine Methode zur Steigerung
der Leistung der Luminophore und folglich der Leuchtdichte des Bildschirms
besteht darin, die Beschleunigungsspannung und folglich die Potentialdifferenz zwischen
Anode und Katode zu erhöhen
(typisch zwischen 1 000 und 10 000 V), was bedingt, die Anode und
die Katode weiter voneinander zu entfernen, um die Entstehung eines
Lichtbogens zwischen diesen beiden zu vermeiden.
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Wenn
man auf der Anode eine gute Auflösung
erreichen will, muss der Elektronenstrahl refokussiert werden. Diese
Refokussierung erhält
man klassisch dank eines zusätzlichen
Gitters, das entweder zwischen der Anode und der Katode (hängendes bzw.
schwebendes Gitter) oder auf der Katode (integriertes Gitter) angeordnet
werden kann.
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Die 2 zeigt
den Fall, wo das zusätzliche Gitter
auf der Katode angeordnet ist. Im Sinne einer besseren Klarheit
der Zeichnung bezieht sich die 2 auf das
Beispiel der 1, beschränkt auf eine einzige Mikrospitze.
Eine isolierende Schicht 13 ist auf dem Extraktionsgitter 7 abgeschieden
worden und trägt
eine metallische Schicht 14, die als Fokussiergitter dient.
Löcher 15 mit
adäquatem
Durchmesser (typisch zwischen 8 und 10 μm) und konzentrisch zu den Löchern 8,
sind in die Schichten 13 und 14 geätzt worden.
Die isolierende Schicht 13 dient der elektrischen Isolierung
des Extraktionsgitters 7 und des zusätzlichen Gitters 14.
Das zusätzliche
Gitter ist in Bezug auf die Katode vorgespannt, um dem Elektronenstrahl 16 die
in der 2 dargestellte Form zu geben.
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Bei
einem Farb-Flachbildschirm sind die Luminophore auf der Anode in
Form von parallelen Streifen, sukzessive rot-grün-blau usw, abgeschieden. Für eine gute
Wiedergabequalität
des Bildes müssen
Farbmischungen vermieden werden. Dazu muss gewährleistet sein, dass alle durch
die Feldeffektelemente emittierten Elektronen, die für eine bestimmte
Farbe bestimmt sind, zu dem entsprechenden Luminophor gelangen und
nicht zu einem benachbarten Luminophor. Dieses Resultat erzielt
man durch das Phänomen
der Fokussierung. Aufgrund der Streifenstruktur der Luminophore
ist es wichtig, dass die Fokussierung in der zu diesen Streifen
senkrechten Richtung erfolgt, um die Farbmischungen zu vermeiden.
Auch bei den monochromen Bildschirmen ist die Fokussierung der Elektronen
auf das Luminophor vorteilhaft, denn sie ermöglicht, die Auflösung des
Bildschirms zu verbessern.
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Von
anderen Strukturen mit Feldeffektquellen ist die Benutzung von einem
oder mehreren weiteren zusätzlichen
Gittern bekannt, zum Beispiel um die Katode vor dem durch die Anode
induzierten elektrischen Feld zu schützen und so die Überschlagphänomene zu
vermeiden.
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Bekannt
ist auch, den Betrieb der Mikrospitzen-Bildschirme durch eine spezielle
Adressierungssequenz zu verbessern, die darin besteht, Regenerationsphasen
vorzusehen, während
denen die Anode auf ein so niedriges Potential gebracht wird, dass
sie die durch die Mikrospitzen emittierten Elektronen abstößt.
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Diese
Adressierungssequenz wird beschrieben in dem französischen
Patent mit dem Titel "Procédé de commande
d'écran plat
de visualisation (Flachbildschirm-Steuerungsverfahren)", angemeldet am 8. Juni 1995 im Namen
von PIXTECH S.A. unter der Anmeldungsnummer FR 19950007017 (Veröffentlichungsnummer
FR 2735266).
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Eine
solche Adressierungssequenz hat den Vorteil, das unter dem Begriff "Farbabweichung" bekannte Phänomen zu
unterdrücken.
Das Farbabweichungsphänomen
entspricht der Farbveränderung, die
auf dem Bildschirm stattfindet, wenn man während einer relativ langen
Dauer, die von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten gehen kann,
eine gleichmäßige Farbe
sieht, die einer der drei Grundfarben entspricht (Rot, Grün, Blau).
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Während einer
Regenerationsphase zieht die Anode die Elektronen nicht an. Die
Luminophore werden dann nicht angeregt und die regenerierten Zonen
des Bildschirms haben keinen Einfluss auf das erzeugte Bild.
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Im
Falle von Hochspannungsbildschirmen kann die an die Anode angelegte
Spannung mehrere Kilovolt erreichen. Die schnelle Umschaltung des
Anodenpotentials auf eine in Bezug auf das Katodenpotential ausreichend
niedrige Spannung von zum Beispiel einigen Volt ist dann schwierig
zu realisieren. Die für
ein solches Umschalten geeigneten Schaltungen sind nämlich komplex,
teuer und voluminös.
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Die
Erfindung weist keinen der oben erwähnten Nachteile auf.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Feldeffektelemente-Struktur, insbesondere
für einen
Katodolumineszenz-Bildschirm oder eine Röntgenstrahlenröhre, wobei
diese Struktur eine mit Feldeffektelementen ausgestattete Katode, eine
Anode, ein Extraktionsgitter und ein zusätzliches Gitter umfasst, und
das Verfahren wenigstens eine Emissionsphase umfasst, in der Elektronen durch
die Feldeffektelemente in Richtung Anode emittiert werden, und wenigstens
eine Regenerationsphase, während
der die durch die Elemente emittierten Elektronen nicht zur Anode übertragen
werden. Die Regenerationsphase wird realisiert, indem an das zusätzliche
Gitter ein Sperrpotential gelegt wird, so dass die Elektronen zur
der Katode zurückkehren.
Unter Rückkehr
zur Katode muss man eine Rückkehr
der Elektronen zu der Katode selbst oder zu ihrer Umgebung verstehen.
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Erfindungsgemäß ist die
Regenerationsphase vorzugsweise unabhängig von der Emissionsphase
bezüglich
der im Laufe dieser Phasen an die Extraktionsgitter und/oder die
Katodenleiter gelegten Potentialwerte. So kann bei der Anwendung
bei einem Bildschirm die Regenerationsphase unabhängig sein
von dem angezeigten Bild.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Anzeige von Bildern auf
einem Bildschirm, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein wie
oben erwähntes
erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren anwendet.
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Die
Erfindung betrifft auch noch ein Verfahren zur Bilderzeugung in
einer Röntgenstrahlröhre, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein wie oben erwähntes erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren anwendet.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine hohe Beschleunigungsspannung
benutzt wird (das heißt
eine Potentialdifferenz zwischen Anode und Katode), um die durch
die Feldeffektelemente emittierten Elektronen anzuziehen und dabei
diese Spannung während
der Regenerationsphasen aufrecht zu erhalten. Es ist dann im Gegensatz
zu den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht mehr nötig, das
Anodenpotential umzuschalten.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsart
hervor, die sich auf die beigefügten
Figuren bezieht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1 zeigt
eine Querschnittansicht eines Mikrospitzen-Bildschirms einer ersten
Ausführungsart
nach dem Stand der Technik;
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die 2 zeigt
eine Querschnittansicht eines Mikrospitzen-Bildschirms einer zweiten
Ausführungsart
nach dem Stand der Technik;
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die 3A, 3B, 3C, 3D zeigen ein
erfindungsgemäßes Zeitdiagramm
der während eines
Adressierungszyklus an die verschiedenen Elemente einer Feldeffektelemente-Struktur gelegten Spannungen.
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In
allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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Die 1 und 2 sind
oben schon beschrieben worden.
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Die 3A, 3B, 3C und 3D zeigen
ein erfindungsgemäßes Zeitdiagramm
der an die verschiedenen Elemente einer Feldeffektelemente-Struktur
während
eines Adressierungszyklus angelegten Spannungen. Der Adressierungszyklus
umfasst eine Emissionsphase I und eine Regenerationsphase II, die
auf die Emissionsphase I folgt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird bei einer Struktur angewendet, die wenigstens vier Elektroden
umfasst, nämlich
eine Anode, eine Katode, ein Extraktionsgitter und ein zusätzliches
Gitter. Die in der 2 dargestellte Struktur ist
ein nicht einschränkendes
Anwendungsbeispiel der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird eine
Spannung an das zusätzliche
Gitter gelegt, um während
den Regenerationsphasen ein Sperrpotential zwischen dem Extraktionsgitter
und der Anode zu erzeugen.
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Die 3A, 3B, 3C und 3D umfassen
einen Adressierungszyklus und zeigen jeweils die Spannung Vc, angelegt
an ein Element oder eine Gruppe von Feldeffektelementen, die Spannung Va,
angelegt an die Anode, die Spannung Vg1, angelegt an das Extraktionsgitter,
und die Spannung Vg2, angelegt an das zusätzliche Gitter.
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Ein
Adressierungszyklus wird gebildet durch eine Emissionsphase und
eine Regenerationsphase.
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Während der
Emissionsphase muss eine entsprechende Potentialdifferenz zwischen
der Katode und dem Extraktionsgitter realisiert werden, je nach
dem, ob die Katode emittieren soll oder nicht. Zum Beispiel – aber nicht
einschränkend – ist die Spannung
Vc in den 3A und 3C eine
Gleichspannung (zum Beispiel gleich 0 Volt) und die Spannung Vg1
präsentiert
sich in Form einer Folge von Impulsen, enthalten zwischen einem
hohen Niveau VH (zum Beispiel gleich 80 Volt) und einem niedrigen Niveau
VL (zum Beispiel gleich 0 Volt).
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Wenn
man keine Emission durch die Katode wünscht, wird die Spannung Vc
entsprechend verändert
und geht zum Beispiel auf 40 Volt über. Im Laufe der Emissionsphase wird
die Anode auf eine Gleichspannung Va gebracht (s. 3B)
(von zum Beispiel 3000 Volt) und die an das zusätzliche Gitter gelegte Spannung
Vg2 (s. 3D) wird auf ein Potential gebracht,
das den Transfer aller oder eines Teils der Elektronen zur Anode
ermöglicht.
Die Spannung Vg2 ist zum Beispiel gleich 250 Volt für ein schwebendes Gitter.
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Um
das Abstoßen
der durch die Feldeffektelemente emittierten Elektronen während der
Regenerationsphase sicherzustellen, ist es auf vorteilhafte Weise
nicht nötig,
die Spannung Va von einem hohen Wert auf einen ausreichend niedrigen
Wert umzuschalten. Die Spannung Va kann einen hohen Wert behalten,
der mehrere Kilovolt betragen und der Spannung entsprechen kann,
die im Laufe der Emissionsphase an der Anode liegt.
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Erfindungsgemäß wird während der
Regenerationsphase zwischen dem Extraktionsgitter und der Anode
ein Sperrpotential erzeugt, indem die an das zusätzliche Gitter gelegte Spannung
VG2 umgeschaltet wird zwischen einer Nominalspannung VN, die den
emittierten Elektronen erlaubt, die Anode zu erreichen, und einer
Sperrspannung VB, die den Durchgang der Elektronen verhindert, die
dann auf das Niveau der Katode zurückfallen.
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Die
Spannung VN kann im Falle eines Zwischengitters zwischen Anode und
Katode zum Beispiel 250 V betragen und die Spannung VB zum Beispiel
0 V. Der Spannungsunterschied kann also leicht geschaltet werden
(250 V in dem oben erwähnten Beispiel).
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Während der
Regenerationsphase müssen die
an die Katode und das Extraktionsgitter angelegten Spannungen so
sein, dass Elektronenemission stattfindet. Vc wurde zum Beispiel
mit einer der Emissionsphase entsprechenden Spannung dargestellt und
die Spannung Vg1 mit einem Impuls, dessen Amplitude der der Emissionsphase
entspricht (die Dauer der Impulse von Vg1 kann unterschiedlich sein).
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Damit
es keine Störemission
von Elektronen in Richtung Anode gibt, sollte die Impulsdauer der Spannung
Vg1 höchstens
gleich der Regenerationsphase sein und möglichst kleiner.
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Das
zusätzliche
Gitter kann monolithisch sein oder in Form von Leitern realisiert
werden, die zeilen- oder spaltenförmig angeordnet sind und mit einem
selben Potential verbunden sind. Es kann direkt auf der Katode realisiert
sein (integriertes Gitter), wie in dem Beispiel der 2,
oder als separates Element zwischen dem Extraktionsgitter und der
Anode angeordnet sein (schwebendes Gitter).
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Erfindungsgemäß lässt das
zusätzliche
Gitter außerhalb
der Regenerationsphasen den Elektronentransfer zu.
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Auf
vorteilhafte Weise kann das zusätzliche Gitter
während
der Elektronenemissionsphasen auf eine Spannung gebracht werden,
die außerdem
bei bestimmten Anwendungen, wie etwa den Flachbildschirm-Anwendungen,
eine Fokussierung der Elektronen bewirkt (s. 2 als nichteinschränkendes Beispiel).
Die Fokussierspannung kann dann während der gesamten Emissionsphasendauer
und sogar darüber
hinaus angelegt werden.
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Es
gibt dann einen Wechsel zwischen Phasen des auf die Anode fokussierten
Elektronenbeschusses und Phasen der Elektronensperrung, in der die
emittierten Elektronen auf die Katode zurückfallen.
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Ebenso
wird während
der Emissionsphasen das zusätzliche
Gitter vorzugsweise auf eine Spannung gebracht, die bei bestimmten
Anwendungen, wie zum Beispiel den Röntgenröhren-Anwendungen, die Katode
vor dem Anodenfeld schützt.
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Die
Erfindung ermöglicht
vorteilhaft die Realisierung einer Elektronensperre zwischen der
Katode und der Anode, ohne die Struktur komplexer zu machen.
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Um
die Zyklen (Emissions- und Regenerationsphase) bei einer Struktur
durchzuführen,
die Feldeffektelemente umfasst, die matrixförmig in Zeilen und Spalten
angeordnet sind, kann man folgendermaßen vorgehen:
- – entweder
man führt
bei jeder im Laufe eines Teilbilds abgetastete Zeile sukzessiv eine
Emissionsphase und eine Regenerationsphase durch,
- – oder
man tastet die Gesamtheit oder Pakete der Zeilen eines Teilbilds
ab, wobei man sukzessiv eine Emissionsphase durchführt, und
anschließend,
entweder sukzessiv oder kollektiv, die Regenerationsphase durchführt,
- – oder
man tastet mehrere Male die Gesamtheit der Zeilen ab, wobei man
sukzessiv eine Emissionsphase durchführt, und führt anschließend bei der
Gesamtheit der Zeilen, entweder sukzessiv oder kollektiv, paketweise
oder für
das ganze Teilbild, die Regenerationsphase durch.
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Hinsichtlich
einer maximalen Effizienz betrifft die Regenerationsphase also in
sequentieller und/oder kollektiver Weise die Gesamtheit der Feldeffektelemente
der Katode.
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Die
Regenerationsphase ist für
die Quellennutzung eine Totzeit. Die Regenerationsphase muss also
minimiert werden, um den Wirkungsgrad der Quelle nicht zu sehr zu
reduzieren (und damit die Leuchtdichte im Falle einer Anzeige).
In der Praxis kann die Regenerationsphase 5 bis 10 % der Dauer der
Emissionsphase betragen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist bei allen bekannten Typen von Feldeffektelemente-Strukturen
anwendbar, die mit einem zusätzlichen
Gitter ausgerüstet
sind.
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Wie
weiter oben erwähnt,
kann das erfindungsgemäße Verfahren
zum Beispiel bei einer integrierten Struktur wie zum Beispiel der
in der 2 angewendet werden. In diesem Fall – indem
man an das zusätzliche
Gitter eine Spannung anlegt, die sehr viel niedriger ist als sowohl
die Refokussierungsspannung als auch die Polungs- bzw. Vorspannung der
Feldeffektelemente -, erzeugt man zwischen dem zusätzlichen
Gitter und der Anode eine Potentialsperre. Die emittierten Elektronen
fallen zurück
in Richtung Katode.
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Ein
anderes Anwendungsbeispiel der Erfindung betrifft den Fall, wo sich
ein zusätzliches
Gitter zwischen der Katode und der Anode befindet, wie beschrieben
in dem Patent US-5 543 691. In diesem Fall – indem man an das zusätzliche
Gitter eine Spannung anlegt, die niedriger ist als die Spannung des
Extraktionsgitters und vorzugsweise niedriger als die Polungs- bzw.
Vorspannung der Feldeffektelemente oder gleich –, erzeugt man in der Ebene
des Zwischengitters eine für
die emittierten Elektronen unüberwindbare
Potentialsperre.