DE69414510T2

DE69414510T2 - Elektrostatisch abgeschirmte mikroelektronische Feldemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE69414510T2
Application number: DE69414510T
Authority: DE
Inventors: Huei-Pei Cupertino Ca 95014 Kuo
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2014-09-21
Also published as: US5340997A; EP0644570A3; EP0644570A2; JPH0794105A; EP0644570B1; JP3519800B2; DE69414510D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf mikroelektronische Vorrichtungen und insbesondere auf elektrostatisch abgeschirmte mikroelektronische Vorrichtungen, die auf Feldemittertechnologien basieren.
Ein einfach aufzubauender Flachbildschirm wurde auf dem Gebiet der Elektronik als der "Heilige Gral" betrachtet. Zahlreiche Entwickler haben versucht, eine solche Anzeige zu erfinden.
Ein wesentliches Element einer solchen Anzeige sind Transistoren oder mikroelektronische Vorrichtungen, um die Feldemitter zu steuern. Verschiedene Transistoren sind vorgeschlagen und implementiert worden, um Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren beispielsweise unter Verwendung von Dünnfilmtechniken auf Halbleitersubstraten herzustellen. Ungünstigerweise sind die meisten im Stand der Technik bekannten Transistortechniken in der Regel nicht mit den Technologien zum Herstellen der Feldemitter kompatibel. Ein Feldemitter weist üblicherweise eine sehr scharfe Spitze mit einer Null-Spannung oder einer negativen Spannung auf, die in unmittelbarer Nähe zu einem Gate mit einer unterschiedlichen Spannung positioniert ist, um Elektronen zu emittieren. Diese Strukturen unterscheiden sich stark von den bekannten Strukturen aus Bipolar- und Feldeffekttransistoren. Folglich müssen die Feldemitter und die Transistoren mittels unterschiedlicher Prozesse aufgebaut werden, wodurch sich die Herstellung eines Flachbildschirms deutlich komplexer gestaltet.
Ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren versucht, den Feldemitterlösungsansatz zu verwenden, um einen Transistor aufzubauen. Diese Vorrichtung weist einen Emitter, der Elektronen emittiert, und einen Kollektor mit einer positiven Spannung auf, um die emittierten Elektronen zu sammeln. Die Vorrichtung ist jedoch nicht elektrostatisch abgeschirmt und gegenüber Umgebungseinflüssen sehr anfällig.
Ein Feldemissionsbetrieb hängt entscheidend von dem Flugbahnen der Elektronen ab. Diese Flugbahnen werden wiederum durch die Formen und die elektrischen Potentiale der umgebenden Strukturen beeinflußt. Falls beispielsweise die Vorrichtung unter einem Schirm mit einer positiven Spannung, wie bei einem Flachbildschirm, positioniert ist, würden die Elektroden, die anfänglich zu dem Kollektor laufen, zu dem Schirm hingezogen werden, wodurch sich das Verhalten der Vorrichtung deutlich verschlechtert.
Die US-A-4,908,539 offenbart eine Anzeigeeinheit, bei der eine Kathodolumineszenz durch eine Feldemission erregt wird, die eine Mehrzahl von elementaren Strukturen aufweist, die jeweils eine kathodolumineszente Anode und eine Kathode, die in der Lage ist, Elektronen zu emittieren, aufweist. Jede Kathode weist eine Mehrzahl von elektrisch verbundenen Mikropunkten auf, die mittels des Feldeffekts einer Elektronenemission ausgesetzt sind, wenn die Kathode im Vergleich zu der entsprechenden Anode negativ polarisiert ist, wobei die Elektronen auf die Anode auftreffen, die daraufhin einer Lichtemission ausgesetzt ist. Jede Anode ist in die entsprechende Kathode integriert.
Die EP-A-0,513,777 offenbart eine Feldelektronenemissionsvorrichtung mit mehreren Elektroden, die eine Kathode zum Emittieren von Elektronen mittels der Feldeffekts, eine Gate-Elektrode zum Einrichten eines elektrischen Feldes zwischen der Kathoden- und Gate-Elektrode, eine Anode zum Sammeln der emittierten Elektronen, und eine Steuerelektrode aufweist, die zwischen der Kathode und Anode zum Steuern der emittierten Elektronen plaziert ist.
Es sollte aus dem vorhergehenden offensichtlich sein, daß noch ein Bedarf nach einer mikroelektronischen Vorrichtung vorhanden ist, die auf entsprechenden Technologien wie Feldemitter basiert, um auf Gebieten, wie z. B. bei Flachbildschirmen, zu arbeiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine mikroelektronische Vorrichtung, die auf entsprechenden Technologien wie Feldemittern basiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 7 geschaffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer mikroelektronischen Feldemissionsvorrichtung.
Fig. 2 zeigt eine Äquipotentialfläche und Elektronenflugbahnen der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 stellt einen Satz von I-U-Verläufen der Vorrichtung von Fig. 1 dar.
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt eines zweiten Beispiels der Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt eine Äquipotentialfläche und Elektronenflugbahnen des zweiten Beispiels.
Fig. 6 zeigt eine alternative Konfiguration für das zweite Beispiel.
Fig. 7 zeigt einen Abschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit einem Schirm.
Fig. 8 zeigt eine Äquipotentialfläche und Elektronenflugbahnen des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Fig. 9 zeigt einen Abschnitt eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit einem Schirm.
Fig. 10 zeigt eine Äquipotentialfläche und Elektronenflugbahnen des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
In den Fig. 1-10 sind entsprechenden Elementen in allen Figuren gleiche Bezugszeichen zugewiesen.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden bezugnehmend auf die Fig. 7-10 erörtert. Fachleute auf diesem Gebiet werden jedoch ohne weiteres erkennen, daß die hierin vorgestellte detaillierte Beschreibung hinsichtlich dieser Figuren lediglich erklärend ist und sich die Erfindung über diese begrenzten Ausführungsbeispiele hinaus erstreckt.
Fig. 1 zeigt eine mikroelektronische Feldemissionsvorrichtung 100, die eine Elektronenquelle 109, einen Kollektor 112 und einen Isolator 114 aufweist. Bei einem Beispiel umfaßt die Elektronenquelle 109 einen Elektronenemitter 108 und ein Gate 106, das in ein erstes Gate 106A und ein zweites Gate 106B unterteilt ist. Der Emitter 108, das Gate 106 und der Kollektor 112 sind mit einem Substrat 102 verbunden. Der Emitter 108 besteht aus einem nicht-isolierenden Material, das ein Halbleiter sein kann. Das Gate 106, der Kollektor 112 und der Isolator 114 sind vorzugsweise leitfähig und können aus einem Polysilizium oder aus Metall bestehen.
Die Struktur des Elektronenemitters 108 entspricht derjenigen auf dem Gebiet von Feldemittern. Bei diesem Beispiel ähnelt die Struktur einem Zeilenemitter. Weitere Elektronenemitter, wie z. B. mikro-thermionische Quellen, sind ferner anwendbar. Der Feldemittertyp, der diesem Beispiel entspricht, ist beispielsweise in dem Artikel "Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones," von Spindt u. a., der im Journal of Applied Physics, Bd. 47, Nr. 12, Dezember 1976, veröffentlicht wurde, und in dem Artikel "Fabrication of Silicon Point, Wedge, and Trench FEAs," von Jones u. a., der im Technical Digest of Int. Vacuum Microelektronics Conf. 1991 veröffentlicht wurde, dargestellt.
Der Emitter 108 weist eine Spitze mit einer Spitzenbreite 124 auf, die durch einen Spitzenseitenabstand 122 von dem ersten und zweiten Gate getrennt ist. Die Spitze des Emitters ist ferner von der Oberfläche 130 versetzt, wobei das Gate 106 um einen oberen Spitzenabstand 126 versetzt angeordnet ist. Das Gate 106 und der Kollektor 112 weisen eine entsprechende Dicke 128 auf. Das erste und zweite Gate weisen jeweils eine Gatebreite 132 auf. Der Kollektor 112 ist wieder in zwei Seiten unterteilt, d. h. den ersten Kollektor 112A und den zweiten Kollektor 112B. Der erste Kollektor 112A ist benachbart zu dem ersten Gate 106A positioniert und von demselben durch eine Gate-Kollektor-Breite 134 getrennt, wobei entsprechend der zweite Kollektor 112B von dem zweiten Gate 106B durch eine entsprechende Breite 134 getrennt ist. Der erste und zweite Kollektor weisen jeweils eine Kollektorbreite 136 auf.
Bei dem ersten Beispiel ist der Isolator 114 über dem Emitter 108, dem Gate 106 und dem Kollektor 112 positioniert, wobei der Isolator 114 dieselben im wesentlichen überdeckt. Der Isolator ist in einer Isolatorhöhe 138 über dem Gate 106 positioniert, und weist eine Isolatorbreite 140 auf. Die Isolatorbreite 140 beträgt vorzugsweise mehr als das Doppelte der Isolatorhöhe 138. Es können zusätzliche leitende oder isolierende Strukturen über dem Isolator vorhanden sein, wobei jedoch die Auswirkung der zusätzlichen Strukturen, die geladen sein können, auf das erste Ausführungsbeispiel aufgrund des Isolators, der eine elektrostatische Umschließung erzeugt, im wesentlichen minimiert ist. Folglich ist die Vorrichtung dieses Beispiels im wesentlichen elektrostatisch abgeschirmt. Da die mikroelektronische Feldemissionsvorrichtung und die Feldemitter auf Elektronenemittern basieren, die aus dem Substrat Elektronen emittieren können, können die mikroelektronische Vorrichtung und die Feldemitter aus demselben Substrat und im wesentlichen mittels desselben Prozesses hergestellt werden. Wenn die Feldemitter hergestellt werden, können gleichzeitig die mikroelektronischen Vorrichtungen zum Steuern der Feldemitter hergestellt werden. Es gibt unterschiedliche Verfahren zum Erzeugen des Isolators. Ein Verfahren besteht darin, ein Stück aus einem leitenden Material in der Isolatorhöhe 138 über dem Emitter, dem Gate und dem Kollektor zu positionieren. Ein weiteres Verfahren besteht darin, ein leitendes Drahtgitter oder mehrere parallel angeordnete leitende Drähte anstelle des leitenden Materialstücks zu verwenden. Die Beabstandung der Maschen oder zwischen den Drähten sollte vorzugsweise kleiner als die Isolatorhöhe 138 sein.
Der Emitter 108 weist eine Emitterspannung auf, wobei das Gate 106 eine Gatespannung aufweist. Mit geeigneten Emitter- und Gate-Spannungen werden Elektronen von dem Emitter aus dem Substrat 102 emittiert.
Der Kollektor 112 weist eine Kollektorspannung auf, wobei der Isolator eine Isolatorspannung aufweist, die vorzugsweise negativ ist. Mit geeigneten Kollektor- und Isolatorspannungen wird die elektrostatische Umschließung erzeugt, um die Elektronen im wesentlichen in der Nähe der Elektronenquelle und des Kollektors zu begrenzen. Mit den geeigneten Spannungen nimmt der Kollektor 112 außerdem einen Strom auf, der zu der Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit von dem Emitter 108, aus dem Substrat 102 und in den Kollek tor 112 emittiert werden, im wesentlichen proportional ist.
Der Strom hängt von den Abmessungen und den Positionen des Emitters 108, des ersten und des zweiten Gates, des ersten und des zweiten Kollektors und des Isolators 114 und von den Spannungen an denselben ab. Fig. 2 zeigt graphisch die elektrostatische Umschließung 144, die eine Äquipotentialfläche 144 mit einem Null-Potential sein kann, und Elektronenflugbahnen 142 von dem Emitter 108 zu dem Kollektor 112. Fig. 3 zeigt einen Satz von Strömen 146, die durch unterschiedliche Kollektorspannungen 148 und Gate-Spannungen 147 erzeugt werden. Diese Verläufe sind im allgemeinen als Übertragungseigenschaften bekannt. Mit geeigneten Werten ändert sich für eine feste Kollektorspannung 148 der Strom 146, wie bei Vakuumröhren, drastisch, sowie sich die Gate-Spannung 147 ändert. Folglich wird diese beispielhafte Vorrichtung mittels Verfahren, die im wesentlichen auf den Herstellungsverfahren von Feldemittern basieren, hergestellt, wobei dieselbe jedoch wie eine Stromsteuerungseinrichtung arbeitet. Die Abmessungen, Positionen, Spannungen und Ströme des ersten Ausführungsbeispiels 100 werden mittels elektronenoptischer Standardberechnungen berechnet und sollten Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Eine allgemeine Erörterung dieses Typs von Berechnungen ist in "Electron Beams, Lenses and Optics," von El-Kareh und El-Kareh, veröffentlicht durch die Academic Press, 1970, zu finden.
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt eines zweiten Beispiels einer Vorrichtung, die dem ersten Beispiel entspricht, mit der Ausnahme, daß das erste 156A und das zweite 156B Gate unterschiedliche Abmessungen und unterschiedliche Spannungen aufweisen, und daß der Kollektor 162 benachbart zu dem ersten Gate 156A angeordnet ist.
Das zweite Beispiel 150 umfaßt einen Emitter 158, ein Gate 156, das in ein erstes Gate 156A und ein zweites Gate 156B unterteilt ist, einen Kollektor 162 und einen Isolator 164. Es wird angenommen, daß das zweite Beispiel 150 einen größe ren Stromwirkungsgrad als das erste Beispiel aufweist.
Bei dem zweiten Beispiel weist das erste Gate eine erste Gatebreite 184 und das zweite Gate 156B eine zweite Gatebreite 182 auf. Der Kollektor 162 weist eine Kollektorbreite 186 auf und ist von dem ersten Gate 156A durch eine Gate-Kollektor-Breite 184 getrennt. Der Isolator ist von dem Gate 156 getrennt und von demselben durch eine Isolatorhöhe 188 beabstandet.
Fig. 5 zeigt graphisch eine elektrostatische Umschließung, die in dem vorliegenden Fall eine Äquipotentialfläche 194 mit einem Null-Potential ist, und Elektronenflugbahnen 192 von dem Emitter 158 zu dem Kollektor 162. Es wird davon ausgegangen, daß aufgrund der Konfiguration bei dem zweiten Beispiel weniger Elektronen zu dem Gate hingezogen werden, als bei dem ersten Beispiel; dies könnte bei dem zweiten Beispiel zu einem höheren Stromwirkungsgrad als bei dem ersten Beispiel führen. Fig. 6 zeigt eine unterschiedliche Konfiguration für das zweite Beispiel mit einem leitfähigen Material 175, das geladen sein kann. Bei dieser Konfiguration überdeckt der Isolator 164 das zweite Gate 156B nicht; derselbe erstreckt sich um mehr als eine Isolatorhöhe 188 über den Rand 177 des Kollektors 162 hinaus. D. h. mit anderen Worten, der Abstand der Verlängerung 179 ist größer als die Isolatorhöhe 188. Mit einer solchen Konfiguration und geeigneten Spannungen an den Isolator- und Gate-Bereichen werden die Auswirkungen auf die Übertragungseigenschaften durch das zusätzliche leitende Material über der mikroelektronischen Vorrichtung deutlich minimiert.
Mit geeigneten Werten ändert sich bei der zweiten Konfiguration der Strom für eine feste Kollektorspannung drastisch, sowie sich die Spannung des ersten Gates ändert. Folglich wird das zweite Beispiel mittels Verfahren hergestellt, die im wesentlichen auf den Herstellungsverfahren von Feldemittern basieren, wobei dasselbe jedoch als Stromsteuerungseinrichtung arbeitet.
Fig. 7 zeigt einen Abschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 200 der vorliegenden Erfindung. Diese Struktur entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel 100, jedoch mit der Ausnahme, daß der Isolator das Substrat nicht bedeckt, sondern in einen ersten und einen zweiten Isolator unterteilt ist, die auf dem Substrat positioniert sind. Außerdem ist der Kollektor 212 benachbart zu dem ersten Gate 206A angeordnet, wobei die Gate-Bereiche und der Kollektor durch den ersten 230A und den zweiten 230B Isolator begrenzt sind. Sowohl der erste als auch der zweite Isolator sind vorzugsweise leitfähig und können aus Polysilizium hergestellt werden.
Der erste Isolator 230A ist von dem Kollektor 212 durch einen Kollektor-Isolator-Abstand 218 getrennt, wobei der zweite Isolator 230B von dem zweiten Gate 206B durch den Kollektor-Gate-Abstand 236 getrennt ist. Der erste Isolator 230A und der zweite Isolator 230B weisen jeweils eine Breite 220 auf. Der erste Isolator 230A weist eine erste Isolatorspannung auf, wobei der zweite Isolator 230B eine zweite Isolatorspannung aufweist.
Fig. 7 zeigt ferner ein zusätzliches Materialstück 214 über diesem Ausführungsbeispiel 200. Dieses Materialstück kann leitfähig sein. Es wird angenommen, daß die Spannungen an den Isolatoren eine elektrostatische Umschließung erzeugen, um die emittierten Elektronen im wesentlichen in der Nähe der Elektronenquelle und des Kollektors zu begrenzen, so daß die Auswirkung des Blattmaterial 214 auf die Elektronen deutlich minimiert ist.
Das Blattmaterial 214 ist von dem Gate 206 durch eine Schirmhöhe 238 getrennt, die um Größenordnungen größer als die Breite des Kollektors sein kann.
Fig. 8 zeigt graphisch die elektrostatische Umschließung, die bei dem vorliegenden Fall eine Äquipotentialfläche 294 mit einem Null-Potential ist, und Elektronenflugbahnen 292 von dem Emitter 208 zu dem Kollektor 212. Das Beispiel zeigt, daß die Auswirkung des Blattmaterials 214 deutlich durch die Isolatoren minimiert ist. Mit geeigneten Werten ändert sich der Strom für eine feste Kollektorspannung drastisch, wie bei einer Stromsteuerungseinrichtung, sowie sich die Spannung des ersten Gates ändert.
Der Kollektor 212 ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten des Emitters 208, wie bei dem ersten Beispiel, gebildet. Die Abmessungen und Spannungen dieses Ausführungsbeispiels würden sich unterscheiden, wobei jedoch dieses Ausführungsbeispiel mit einem symmetrischen Kollektor wieder als Stromsteuerungseinrichtung arbeiten kann.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 300 und ein Blattmaterial 314. Dieses Ausführungsbeispiel 300 entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß ein zusätzliches Schutzelement 320 zwischen dem zweiten Gate 306B und dem zweiten Isolator 308B angeordnet ist. Das Schutzelement ist vorzugsweise leitfähig und kann aus Polysilizium hergestellt sein. Das Schutzelement 320 weist eine Schutzelementbreite 386 auf, ist von dem zweiten Gate 306B durch einen Gate-Schutzelement-Abstand 384 getrennt und von dem zweiten Isolator 308B durch einen Schutzelement-Isolator-Abstand 388 getrennt. Das Schutzelement 320 weist eine Schutzelementspannung auf. Es wird angenommen, daß dieses Schutzelement 320 überdies die emittierten Elektronen von dem Emitter 308 zu dem Kollektor 312 führt, und daß dessen Anwesenheit insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Spannung auf dem Blattmaterial, wie die Spannung an dem Schirm eines Flachbildschirms, positiv ist.
Fig. 10 zeigt graphisch eine elektrostatische Umschließung, die in dem vorliegenden Fall eine Äquipotentialfläche 394 mit einen Null-Potential ist, und Elektronenflugbahnen 392 von dem Emitter 308 zu dem Kollektor 312. Das Beispiel zeigt erneut, daß die Isolatoren und das Schutzelement die Auswir kung der Spannung auf dem Blattmaterial 314 minimieren. Mit geeigneten Werten ändert sich der Strom für eine feste Kollektorspannung, wie in einer Stromsteuerungsschaltung, drastisch, sowie sich die Spannung des ersten Gates ändert.
Der Kollektor 312 und das Schutzelement 320 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten des Emitters 308 gebildet. Die Abmessungen und die Spannungen dieses Ausführungsbeispiels würden sich unterscheiden, wobei jedoch dieses Ausführungsbeispiel mit einem symmetrischen Kollektor und ein symmetrisches Schutzelement wieder wie eine Stromsteuerungseinrichtung arbeiten kann.

Betriebsbeispiele

Die Erfindung wird durch eine Betrachtung der folgenden Beispiele, die lediglich beispielhaft sein sollen, weiter verdeutlicht.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist das Substrat 102 aus Glas oder oxidiertem Silizium oder anderen Materialtypen mit einer isolierenden Oberfläche mit einer Dicke von zumindest einem Mikrometer hergestellt. Der Emitter weist eine Spitzenbreite 124 von einigen Mikrometern, einen Spitzenseitenabstand 122 von etwa 0,2 Mikrometer und einen oberen Spitzenabstand 126 von etwa 0,1 Mikrometer auf. Die Dicke 128 des Kollektors beträgt etwa 0,1 Mikrometer. Die Gatebreite 132 des ersten und des zweiten Gates beträgt etwa 2 Mikrometer, die Gate-Kollektor-Breite 134 beträgt etwa 3 Mikrometer, und die Kollektorbreite 136 beträgt etwa 10 Mikrometer. Der Isolator 114 weist eine Isolatorbreite 140 von 30 Mikrometern und eine Isolatorhöhe 138 von etwa 10 Mikrometern auf.
Bei dem spezifischen in Fig. 2 dargestellten Beispiel beträgt die Spannung an dem Emitter 108 vorzugsweise 0 Volt, wobei die Spannung an dem Gate 106 vorzugsweise von 0 bis 100 Volt reicht und vorzugsweise 40 Volt beträgt, die Spannung an dem Isolator 114 vorzugsweise -10 Volt beträgt, die Spannung an dem Kollektor 112 10 Volt beträgt, und wobei die Äquipotentialfläche 144 eine Spannung 0 Volt aufweist. Der Strom ändert sich, wenn sich die Kollektorspannung und wenn sich die Gatespannung ändert. Bei diesem zweiten Beispiel entsprechen alle Abmessungen dem ersten Beispiel, mit der Ausnahme, daß das zweite Gate 156B eine Breite von etwa 10 Mikrometer aufweist. Bei den in Fig. 5 gezeigten spezifischen Beispielen beträgt die Emitterspannung und die Spannung des zweiten Gates 0 Volt, die Spannung des ersten Gates und die Kollektorspannung 40 Volt, die Isolatorspannung -10 Volt, wobei die Äquipotentialfläche 194 eine Spannung von 0 Volt aufweist.
Bei einem Beispiel für das erste Ausführungsbeispiel entsprechen alle Abmessungen dem ersten Beispiel, mit der Ausnahme, daß die Breite des ersten und des zweiten Isolators 220 etwa 10 Mikrometer beträgt, die Kollektor-Isolator-Breite 218 etwa 5 Mikrometer beträgt, und die Gate-Isolator- Breite 236 etwa 3 Mikrometer beträgt. Bei dem spezifischen in Fig. 8 gezeigten Beispiel beträgt die Spannung des Emitters 208, des zweiten Gates 206B und des zweiten Isolators 230B 0 Volt, die Spannung des ersten Gates 206A 40 Volt, die Spannung des Kollektors 20 Volt, die Spannung des ersten Isolators 230A -10 Volt, wobei die Äquipotentialfläche 294 eine Spannung von 0 Volt aufweist. Es wird angemerkt, daß das Blattmaterial 214 eine Spannung von -10 Volt aufweist und etwa 10 Mikrometer von dem Substrat 212 beabstandet ist.
Bei einem Beispiel für das zweite Ausführungsbeispiel entsprechen alle Abmessungen dem Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, daß die Schutzelementbreite 386 etwa 5 Mikrometer beträgt, der Gate-Schutzelement-Abstand 384 etwa 3 Mikrometer beträgt, und der Schutzelement- Isolator-Abstand 388 etwa 5 Mikrometer beträgt. Bei diesem Beispiel beträgt die Blatthöhe 350 etwa 2 Millimeter, wobei die Blattbreite 340 mehr als 4 mm beträgt. Bei dem spezifi schen in Fig. 10 dargestellten Beispiel weisen der Emitter 308 und das zweite Gate 306B eine Spannung von 0 Volt, das erste Gate 306A und das Schutzelement 320 eine Spannung von 50 Volt, der Kollektor 312 eine Spannung von 10 Volt und der erste 308A und der zweite 308B Isolator eine Spannung von -350 Volt auf. Das Blattmaterial weist eine Spannung von 6500 Volt auf, d. h. wie die Spannung des Schirms eines Flachbildanzeige. Die Äquipotentialfläche 394 weist eine Spannung von 0 Volt auf. Bei diesem Beispiel werden die emittierten Elektronen durch die elektrostatische Umschließung 394 im wesentlichen davon abgehalten, das Blattmaterial 314 zu erreichen, obwohl das Blattmaterial eine Spannung von 6500 Volt aufweist.
Die oben berechneten Werte bei den Betriebsausführungsbeispielen basieren auf elektronenoptischen Standardberechnungen und sollten Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sein.
Aus dem vorhergehenden sollte offensichtlich sein, daß die beschriebene mikroelektronische Vorrichtung auf entsprechenden Herstellungsprozessen wie Feldemitter basiert. Die mikroelektronische Vorrichtung kann auf zahlreichen Gebieten, wie z. B. bei Flachbildschirmen, eingesetzt werden. Obwohl sich die Beschreibung lediglich auf einen Feldemittertyp als die Elektronenquelle bezieht, können weitere Typen von Elektronenquellen verwendet werden. Obwohl lediglich eine bestimmte Anzahl von Elektroden, wie z. B. Gate-, Kollektor-, Isolator- und Schutzelement-Elektroden, dargestellt sind, können weitere Elektroden verwendet werden, um die Elektronen von deren Emitter zu deren Kollektor zu führen. Obwohl beschrieben wurde, daß sich alle Elektroden auf dem Substrat in derselben Ebene befinden, kann die Vorrichtung Elektroden in Ebenen aufweisen, die eine unterschiedliche Höhe besitzen. Es sollte ferner Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sein, daß die Vorrichtung anstelle einer Vakuumröhre oder eines Transistors oder einer Diode verwendet werden kann.

Claims

1. Eine mikroelektronische Vorrichtung mit:

einer Elektronenquelle (208), die mit einem Substrat (212A) gekoppelt ist;

einer Gate-Einrichtung (206) zum Anlegen einer oder mehrerer Spannungen, um die Elektronenemission von der Quelle (208) aus dem Substrat (212A) zu steuern;

einem Kollektor (212), der mit dem Substrat (212A) gekoppelt und benachbart zu der Elektronenquelle (208) positioniert ist, wobei der Kollektor (212) mit einer Kollektorspannung ansteuerbar ist, um einen Strom zu empfangen, der im wesentlichen proportional zu der Anzahl der Elektronen ist, die von der Quelle (208) pro Zeiteinheit in den Kollektor (212) emittiert werden; und

einem Isolator (230) mit einer Isolatorspannung, um eine elektrostatische Umschließung (294) zu bilden, um die Elektronen im wesentlichen in der Nähe der Elektronenquelle (208) und des Kollektors (212) zu begrenzen, wobei der Isolator (230) in einen ersten Isolator (230A) und einen zweiten Isolator (230B) unterteilt ist, wobei einer auf der Seite der Quelle und der andere auf der Seite des Kollektors (212) vorgesehen ist, wobei beide Isolatoren (230A, 230B) mit dem Substrat (212A) gekoppelt sind, wobei der erste Isolator (230A) eine erste Isolatorspannung und der zweite Isolator (230B) eine zweite Isolatorspannung aufweist.

2. Eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Isolator (230) von der Quelle (109) und dem Kollektor (212) beabstandet ist.

3. Eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Elektronenquelle folgende Merkmale aufweist:

einen Elektronenemitter (208), der mit dem Substrat (212A) gekoppelt ist, wobei sich der Emitter (208) auf einer Emitterspannung befindet und eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Gate-Einrichtung folgende Merkmale aufweist:

ein erstes Gate (206A), das mit dem Substrat (212A) gekoppelt und benachbart zu der ersten Seite des Emitters (208) positioniert ist, wobei das erste Gate (206A) eine erste Gatespannung aufweist; und

ein zweites Gate (206B), das mit dem Substrat (212A) gekoppelt und benachbart zu der zweiten Seite des Emitters (208) positioniert ist, wobei das zweite Gate (206B) eine zweite Gatespannung aufweist;

derart, daß die Emitter- und die erste und die zweite Gate-Spannung die Emission der Elektronen steuern, die aus dem Emitter (208) emittiert werden.

4. Eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der Kollektor (222) benachbart zu dem ersten Gate (206A) positioniert ist.

5. Eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 4, die ein Schutzelement (320) aufweist, das mit dem Substrat (302) gekoppelt und zwischen dem zweiten Isolator (308B) und dem zweiten Gate (306B) positioniert ist, wobei das Schutzelement (320) eine Schutzelementspannung aufweist, um die emittierten Elektronen ferner von dem Emitter (308) zu dem Kollektor (312) zu führen.

6. Eine mikroelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, 4 oder 5, bei der das erste und zweite Gate asymmetrisch sind.

7. Ein Verfahren zum Betreiben einer Feldeffektvorrichtung, das folgende Schritte aufweist:

Anlegen einer oder mehrerer Spannungen über eine Gate- Einrichtung (206) an eine Elektronenquelle (208), die mit einem Substrat (212A) gekoppelt ist, wobei die eine oder mehreren Spannungen die Elektronenemission von der Quelle (208) aus dem Substrat (212A) steuern;

Anlegen einer Kollektorspannung an einen Kollektor (212), der mit dem Substrat (212A) gekoppelt und benachbart zu der Elektronenquelle (208) positioniert ist, so daß der Kollektor (212) einen Strom empfängt, der im wesentlichen proportional zu der Anzahl der Elektronen ist, die von der Quelle (208) pro Zeiteinheit in den Kollektor (212) emittiert werden; und

Anlegen einer Isolatorspannung an einen Isolator (230), um eine elektrostatische Umschließung (294) zu erzeugen, um die Elektronen im wesentlichen in der Nähe der Elektronenquelle (208) und des Kollektors (212) zu begrenzen; wobei der Schritt des Anlegens einer Isolatorspannung an den Isolator (230) folgende Schritte aufweist:

Anlegen einer ersten Isolatorspannung an einen ersten Isolator (230A); und

Anlegen einer zweiten Isolatorspannung an einen zweiten Isolator (230B);

derart, daß der erste Isolator (230A) und ein zweiter Isolator (230B) auf der Seite der Quelle bzw. auf der Seite des Kollektors (212) positioniert sind, wobei beide Isolatoren (230A, 230B) mit dem Substrat (212A) gekoppelt sind.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Isolator (230) von der Quelle (208) und dem Kollektor (212) beabstandet ist.