DE69709817T2

DE69709817T2 - Feldemissionselektronenkanone mit individuell gesteuerten Kathodensegmenten

Info

Publication number: DE69709817T2
Application number: DE69709817T
Authority: DE
Inventors: Hideo Makishima
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH10106430A; EP0833359A3; US5977719A; DE69709817D1; EP0833359A2; JP2907150B2; EP0833359B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldemissionskathoden-(FEC)-Elektronenkanone.
Bei einer ersten Art einer herkömmlichen FEC-Elektronenkanone ist eine Kaltkathode aufgebaut aus einem Substrat (Kathode, Elektrode), einer Torelektrode, einer Isolierschicht dazwischen, und einer Anzahl von konusförmigen Emittern, die innerhalb von Öffnungen ausgebildet sind, welche in der Torelektrode und in der Isolierschicht gebildet sind. Wenn zwischen der Torelektrode und den konusförmigen Emittern eine hohe Spannung angelegt wird, wird um die Spitzen der konusförmigen Emitter ein starkes elektrisches Feld erzeugt, so dass die Elektronen an diesen emittiert werden (siehe: C. A. Spindt, "A Thin-Film Field- Emission Cathode", Journal of Applied Physics, Vol. 39, Nr. 7, S. 3504-3505, Juni 1968). Dies wird später im Einzelnen erläutert.
Die vorstehend beschriebene FEC-Elektronenkanone hat einen Vorteil, dass eine hohe Stromdichte realisiert wird und die Dispersionsgeschwindigkeit der emittierten Elektronen verglichen mit der herkömmlichen thermionischen Kathodenelektronenkanone klein ist.
Um einen Elektronenstrahl, der von der Elektronenkanone emittiert worden ist, wirksam zu konvergieren, sind auch Fokussierelektroden vorgesehen (siehe: JP-A-5-343000 und JP-A- 7-235258). Dies wird ebenfalls später im Einzelnen erläutert.
Bei einer zweiten Art von herkömmlicher FEC-Elektronenkanone ist zur Erzielung eines stabilen Elektronenstrahls ein Feldeffekttransistor (FET) als eine Konstantstromquelle in das gleiche Substrat wie die Kaltkathode eingebaut (siehe JP-A-8-87957, die die Basis für den Oberbegriff des Patentanspruches 1 bildet). Dies wird ebenfalls später im Einzelnen erläutert.
Bei einer dritten Art einer herkömmlichen FEC-Elektronenkanone ist das Treibersystem der zweiten Art der FEC-Elektronenkanone bei einer Anzahl von Kaltkathodenelementen angewandt. Dies wird ebenfalls später im Einzelnen erläutert.
Bei der dritten Art der FEC-Elektronenkanone fluktuiert jedoch jeder der Emissionsströme der Kaltkathodenelemente, da alle Kaltkathodenelemente durch einen einzigen FET gesteuert werden, und als Ergebnis fluktuiert die Verteilung der Stromdichte innerhalb der gesamten Kaltkathode mit der Zeit und daher kann ein stabiler Elektronenstrahl nicht erzielt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine FEC-Elektronenkanone zu schaffen, die einen Elektronenstrahl mit einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung erzeugen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Feldemissionselektronenkanone wie im Anspruch 1 definiert gelöst; die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in einer FEC-Elektronenkanone eine Anzahl von Kathodensegmenten und eine Anzahl von Torsteuerschaltungen vorgesehen. Jede der Torsteuerschaltungen ist mit einem der Kathodensegmente verbunden. Jedes der Kathodensegmente hat eine Kathodenelektrode, eine Torelektrode mit einer Isolierschicht dazwischen, und eine Anzahl von konusförmigen Emittern, die innerhalb von Öffnungen ausgebildet sind, welche in der Torelektrode und der Isolierschicht ausgebildet sind. Jede der Torsteuerschaltungen detektiert einen Strom, der durch eines der Kathodensegmente fließt und steuert eine Spannung der Torelektrode des entsprechenden Kathodensegments in Übereinstimmung mit dem detektierten Strom dergestalt, dass der detektierte Strom einen vorbestimmten Wert hat.
Auf diese Art und Weise werden die Kathodensegmente individuell durch die Torsteuerschaltungen gesteuert, wodurch die Verteilung der Stromdichte eines Elektronenstrahls gleichförmig gemacht ist.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung, verglichen mit dem Stand der Technik, unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren klarer verständlich, wobei in den Figuren zeigt:
Fig. 1A eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, zur Illustrierung einer Kaltkathode einer ersten herkömmlichen FEC-Elektronenkanone;
Fig. 1B eine Teilansicht im Schnitt der Elektronenkanone gemäß Fig. 1A;
Fig. 2A und 2B Ansichten im Schnitt, die Modifikationen der Elektronenkanone gemäß Fig. 1B illustrieren;
Fig. 3A eine Ansicht im Schnitt einer Kaltkathode einer zweiten herkömmlichen FEC- Elektronenkanone;
Fig. 3B ein Äquivalentschaltbild der Elektronenkanone gemäß Fig. 3A;
Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt zur Illustrierung einer Kaltkathode einer dritten herkömmlichen FEC-Elektronenkanone;
Fig. 5 eine Ansicht im Schnitt zur Illustrierung einer ersten Ausführungsform der FEC- Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht im Schnitt der Kaltkathode gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Draufsicht der Kathodenelektroden gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine Draufsicht der Torelektroden gemäß Fig. 6;
Fig. 9 eine Draufsicht der Fokussierelektrode gemäß Fig. 6;
Fig. 10 eine Ansicht im Schnitt zur Illustrierung einer zweiten Ausführungsform der FEC-Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine Ansicht im Schnitt zur Illustrierung einer dritten Ausführungsform der FEC-Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine Draufsicht auf die Fokussierelektroden gemäß Fig. 11;
Fig. 13 eine Draufsicht der zusätzlichen Fokussierelektrode gemäß Fig. 11;
Fig. 14 eine Ansicht im Schnitt zur Illustrierung einer vierten Ausführungsform der FEC-Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 15 und 16 Schaltbilder zur Illustrierung von Modifikationen der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen werden herkömmliche FEC- Elektronenkanonen unter Bezugnahme auf die Fig. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B und 4 erläutert.
Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht teilweise im Schnitt, die eine Kaltkathode einer ersten Art herkömmlicher FEC-Elektronenkanonen illustriert und Fig. 1B ist eine Teilansicht im Schnitt eines Kaltkathodenelementes der Elektronenkanone gemäß Fig. 1A (siehe: C.A. Spindt, "A Thin-Film Field-Emission Cathode", Journal of Applied Physics, Vol. 39, Nr. 7, S. 3504-3505, Juni 1968). In den Fig. 1A und 1B bezeichnet die Bezugsziffer 101 ein Siliziumsubstrat, auf dem eine ungefähr 1 um dicke Siliziumoxidschicht 102 und eine Torelektrode 103 ausgebildet sind. In der Torelektrode 103 und der Siliziumoxidschicht 102 sind eine Anzahl von Öffnungen 104 ausgebildet, und auf dem Siliziumsubstrat 101 sind eine Anzahl von konusförmigen Emittern 105 ausgebildet und ragen in die Öffnungen 104. Einer der konusförmigen Emitter 105 und die Torelektrode 103 bilden ein Kaltkathodenelement.
Beispielsweise ist der Durchmesser jeder der Öffnungen 104 an der Torelektrode 103 ungefähr 1 um und der Durchmesser der Spitze jedes der konusförmigen Emitter 105 beträgt ungefähr 1 nm. Wenn in diesem Fall eine Spannung von ungefähr 50 V zwischen der Torelektrode 103 und den konusförmigen Emittern 105 anliegt, wird um die Spitzen der konusförmigen Emitter 105 ein starkes elektrisches Feld von ungefähr 2 bis 5 · 10&sup7; V/cm erzeugt, so dass an diesen Elektronen emittiert werden. Wenn die konusförmigen Emitter 105 auf dem Siliziumsubstrat 101 mit hoher Dichte unter Verwendung eines Fotolithografie- und Ätzvorganges angeordnet sind, kann eine Elektronenkanone mit hoher Stromdichte realisiert werden. Beispielsweise kann die Stromdichte der FEC-Elektronenkanone um das 5- bis 10-fache größer als diejenige der herkömmlichen thermionischen Kathodenelektronenkanone sein.
In der Fig. 2A, die eine Modifikation des Kaltkathodenelementes gemäß Fig. 1B ist, sind eine Isolierschicht 106 und eine Fokussierelektrode 107 vorgesehen. Auch in der Fig. 2B, die eine weitere Modifikation des Kaltkathodenelementes gemäß Fig. 1B ist, ist eine weitere Isolierschicht 108 und eine Fokussierschicht 109 vorgesehen (siehe: JP-A-5-343000 und JP-A-7-235258). Wenn somit an die Fokussierelektrode 107 (109) eine geeignete Gleichspannung angelegt wird, kann der Elektronenstrahl, der von den konusförmigen Emittern 105 emittiert wird, konvergiert werden.
Fig. 3A ist eine Ansicht im Schnitt, die eine Kaltkathode gemäß einer zweiten Art herkömmlicher FEC-Elektronenkanone illustriert, und Fig. 3B ist ein Äquivalentschaltbild (siehe: JP-A-8-87957). In der Fig. 3 entsprechen die Elemente 201 bis 205 dem Siliziumsubstrat 101, der Siliziumoxidschicht 102, der Torelektrode 103, der Öffnung 104 bzw. dem konusförmigen Emitter 105 der Fig. 1B. Auch in der Fig. 3A bezeichnen die Bezugsziffern 201a und 201b Fremdatomdiffussionsregionen, die innerhalb des Siliziumsubstrats 201 ausgebildet sind, und 203(S), 203(G) und 203(D) bezeichnen eine Sourceelektrode, eine Gateelektrode bzw. eine Drainelektrode eines FET Q. Anzumerken ist, dass die Drainelektrode 203(D) als die Gateelektrode des Kaltkathodenelementes dient. Die Elektroden 203(S), 203(G) und 203(D) können auch aus dem gleichen Material hergestellt sein. Wie in der Fig. 3B dargestellt, ist der FET Q als eine Konstantstromquelle mit dem konusförmigen Emitter 205 verbunden. Wenn daher eine Gate-zu-Source-Spannung VGS des FET Q konstant ist, ist ein Elektronenstrahlstrom I immer konstant, selbst wenn der Oberflächenzustand der Spitze des konusförmigen Emitters 205 fluktuiert. Somit kann ein konstanter Elektronenstrahlstrom erzielt werden.
In der Fig. 3B ist anzumerken, dass die Bezugsziffer 206 eine Anodenelektrode bezeichnet.
In der Fig. 4, die eine dritte Art herkömmlicher FEC-Elektronenkanone illustriert, ist das Treibersystem der zweiten Art herkömmlicher FEC-Elektronenkanone gemäß den Fig. 3A und 3B bei einer Anzahl von Kaltkathodenelementen angewandt. Beispielsweise sind drei konusförmige Emitter 105-1, 105-2 und 105-3 mit einem TFT Q verbunden, der gleichzeitig auf dem Substrat 101 ausgebildet werden kann. Anzumerken ist, dass die Bezugsziffer 106 eine Anodenelektrode bezeichnet. Wenn daher eine Gate-zu-Source-Spannungen VGS des FET Q konstant ist, ist ein Elektronenstrahlstrom I konstant. In diesem Fall wird der Elektronenstrahlstrom I repräsentiert durch
I = i1 + i2 + i3 (1)
wobei i1, i2 und i3 Emissionsströme der konischen Emitter 105-1, 105-2 bzw. 105-3 sind.
Bei der FEC-Elektronenkanone gemäß Fig. 4 können jedoch die Emissionsströme i1, i2 und i3 fluktuieren, während die Bedingung gemäß der Gleichung (1) erfüllt ist, da alle Kaltkathodenelemente durch den einzigen FET Q gesteuert werden. Als Ergebnis fluktuiert die Verteilung der Stromdichte innerhalb der gesamten Kaltkathode mit der Zeit, und somit kann ein stabiler Elektronenstrahl nicht erzielt werden. Wenn beispielsweise die FEC- Elektronenkanone gemäß Fig. 4 bei einer Mikrowellenröhre angewandt wird, fluktuiert ein Wendelstrom, so dass die Zuverlässigkeit verringert ist.
Zusätzlich ist der FET Q so betrieben, dass die Potentiale an den Spitzen der konusförmigen Emitter 105-1, 105-2 und 105-3 fluktuieren, um die Änderung der Spitzenformen und der Oberflächenzustände der konusförmigen Emitter 105-1, 105-2 und 105-3 zu kompensieren. Als ein Ergebnis fluktuiert die Gleichstromausbreitungsgeschwindigkeit des Elektronenstrahls. Beispielsweise fluktuiert in einer Mikrowellenröhre der Verstärkungsfaktor und der Ausgang der Mikrowellenröhre, da ein Signal durch Synchronisierung eines RF- Signals in einer Wendelschaltung mit der Gleichstromausbreitungsgeschwindigkeit des Elektronenstrahls verstärkt wird.
In der Fig. 5, die eine erste Ausführungsform der FEC-Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Kaltkathode zum Emittieren eines Strahls EB freier Elektronen, die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Wehnelt-Elektrode zum Konvergieren des Elektronenstrahls EB und die Bezugsziffer 3 bezeichnet eine Anodenelektrode zum Beschleunigen der Elektronen des Elektronenstrahls EB. Die Kaltkathode 1, die Wehnelt-Elektrode 3 und die Anodenelektrode 3 sind in einem Vakuumgehäuse 4 eingeschlossen.
An die Kaltkathode 1 (insbesondere die Fokussierelektrode 16 gemäß Fig. 6), die Wehnelt- Elektrode 2 bzw. die Anodenelektrode 3 werden die Gleichspannungen V&sub1;, V&sub2; bzw. V&sub3; angelegt. Beispielsweise ist V&sub1; 0 bis ungefähr 100 V, V&sub2; 0 bis ungefähr 100 V und V&sub3; ungefähr 1000 bis 4000 V. Beispielsweise ist V&sub1; = 10 V, V&sub2; = 3 V und V&sub3; = 2000 V.
Die Kaltkathode 1 ist in sechs Segmente unterteilt und es sind für die sechs Segmente sechs Gatespannungssteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 vorgesehen. Dies wird als Nächstes unter Bezugnahme auf die Fig. 6, 7 und 8 erläutert.
In der Fig. 6 bezeichnet die Bezugsziffer 11 ein isolierendes Substrat, das aus Glas oder dergleichen besteht, auf dem die Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6, wie in der Fig. 7 dargestellt, ausgebildet sind. Auf den Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 sowie dem Substrat 11 ist auch eine 0,4 bis 0,8 um dicke Isolierschicht 13 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid ausgebildet und auf der Isolierschicht 13 sind, wie in der Fig. 8 dargestellt, 0,2 um dicke Gateelektroden 14-1, 14-2, ..., 14-6 aus Wolfram (W), Molybdän (Mo), Niob (Nb) oder Wolframsilizid (WSi) ausgebildet. In diesem Fall stehen die Gateelektroden 14-1, 14-2, ..., 14-6 jeweils den Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 gegenüber.
Ferner sind in den Gateelektroden 14-1, 14-2, ..., 14-6 und der Isolierschicht 13 Öffnungen 14a (siehe Fig. 8) mit einem Durchmesser von ungefähr 1 um ausgebildet und auf den Kathodenelektroden 12-1, ..., 12-6 sind konusförmige Emitter 15 aus einem schwer schmelzenden Metall, wie beispielsweise W oder Mo, ausgebildet und ragen in die Öffnungen 14a. In diesem Fall beträgt die Höhe der konusförmigen Emitter ungefähr 0,5 bis 1,0 um.
Zusätzlich sind auf den Gateelektroden 14-1, 14-2, ..., 14-6 eine ungefähr 0,4 bis 0,8 um dicke Isolierschicht 16 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid und eine Fokussierelektrode 17 aus W, Mo, Mb oder WSi ausgebildet. In diesem Fall sind Öffnungen 17a (siehe Fig. 9) entsprechend der Öffnungen 14a der Fig. 8 in der Fokussierelektrode 17 und der Isolierschicht 16 ausgebildet.
Bezugnehmend auf die Fig. 6 ist die Gatesteuerschaltung, wie beispielsweise 5-1, zwischen die Kathodenelektrode 12-1 und die Gateelektrode 14-1 geschaltet. Die Gatesteuerschaltung 5-1 ist durch einen Widerstand 511 zum Detektieren eines durch die Kathodenelektrode 12-1 fließenden Stromes, einen Widerstand 512, einen Transistor 513 und eine Bezugsspannungszufuhr 514 gebildet. In diesem Fall bilden der Widerstand 512, der Transistor 513 und die Bezugsspannungszufuhr 514 eine Konstantstrom-Steuerschaltung. Das heißt, wenn ein Strom I&sub5;&sub1;, der durch die Kathode 12-1 fließt, erhöht wird, wird die Basisspannung VB des Transistors 513 erhöht, so dass die Spannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 gesenkt wird. Wenn andererseits der Strom I&sub5;&sub1;, der durch die Kathode 12-1 fließt, gesenkt wird, wird die Basisspannung VB des Transistors 513 gesenkt, so dass die Spannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 erhöht wird. Da somit die Basisspannung VB nahe an eine Spannung VR plus VBE gebracht ist, wobei VR die Spannung der Bezugsspannungszufuhr 514 und VBE eine Basisemitterspannung des Transistors 513 sind, wird der Strom I&sub5;&sub1; nahe an einen konstanten Wert gesteuert. In diesem Fall ist die Spannung V&sub5;&sub1; beispielsweise nahe an ungefähr 50 V gebracht. Daher wird die Änderung des Oberflächenzustandes der Spitzen der konusförmigen Emitter 15, die auf der Kathodenelektrode 12-1 ausgebildet sind, durch die Gatesteuerschaltung 5-1 kompensiert.
Da der Strom, welcher durch jede der Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 fließt, konstant ist, ist der insgesamt fließende Strom I (= I&sub5;&sub1; + I&sub5;&sub2; + ... + I&sub5;&sub6;) durch die Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 ebenfalls konstant. Die Dichte des durch die Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 fließenden Stroms kann ebenfalls gleichförmig sein. Anzumerken ist, dass, wenn die Anzahl der Kathodenelektroden erhöht ist, die Verteilung des durch alle Kathodenelektroden fließenden Stroms weiter gleichförmig sein kann. Daher kann die Bezugsspannung an dem Elektronenstrahl immer über die Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 konstant sein und demgemäß kann beispielsweise in einer Mikrowellenröhre die Gleichstromausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt sein, wodurch die Erzeugung von störendem Rauschen und die Verminderung des Verstärkungsfaktors vermieden wird.
Die Geschwindigkeit der Elektronen, welche von den konusförmigen Emittern 15 emittiert werden, kann ebenfalls durch die Fokussierelektrode 17 konstant gemacht werden und dann treffen die Elektronen auf die Wehnelt-Elektrode 2 und die Anodenelektrode 3 gemäß Fig. 5.
Obwohl die Spannungen an den Gateelektroden 14-1, 14-2, ..., 14-6 einzeln durch die Gatesteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 geändert werden, ist somit bei der ersten Ausführungsform der Elektronenstrahl EB gemäß Fig. 5 gleichförmig.
In der Fig. 10, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, ist die Gatesteuerschaltung 5-1 (5-2, ..., 5-6) gemäß Fig. 6 zu einer Gatesteuerschaltung 5'-1 (5'-2, ..., 5'-6) modifiziert. Die Steuerschaltung 5'-1 hat einen Operationsverstärker 515 anstatt des Widerstands 512 und des Transistors 513 gemäß Fig. 6. Das heißt, wenn ein Strom I&sub5;&sub1;, der durch die Kathode 12-1 fließt, erhöht wird, wird die Spannung V&sub5;&sub1;' des Operationsverstärkers 515 erhöht (V&sub5;&sub1;' > VR), so dass die Spannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 gesenkt wird. Wenn andererseits der Strom I&sub5;&sub1;, der durch die Kathode 12-1 fließt, gesenkt wird, wird die Spannung V&sub5;&sub1;' des Operationsverstärkers 515 gesenkt, so dass die Spannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 erhöht wird. Da die Spannung V&sub5;&sub1;' näher an Vr gebracht worden ist, wird somit der Strom I&sub5;&sub1; nahe an einen definierten Wert gesteuert. In diesem Fall ist die Spannung V&sub5;&sub1; beispielsweise nahe an ungefähr 50 V gebracht. Daher wird die Änderung des Oberflächenzustandes der Spitzen der konischen Emitter 15, die auf der Kathodenelektrode 12-1 ausgebildet sind, durch die Gatesteuerschaltung 5-1 kompensiert.
In der Fig. 11, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, ist die Fokussierelektrode 17 gemäß Fig. 6 in sechs Fokussierelektroden 17-1, 17-2, ..., 17-6 unterteilt, wie dies in der Fig. 12 illustriert ist. Zusätzlich sind auf den Fokussierelektroden 17-1, 17-2, ..., 17-6 eine ungefähr 0,4 bis 0,8 um dicke Isolierschicht 18 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid und eine zusätzliche Fokussierelektrode 19 aus W, Mo, Nb oder WSi ausgebildet. In diesem Fall sind Öffnungen 19 (siehe Fig. 13) entsprechend den Öffnungen 17 der Fig. 12 in der zusätzlichen Fokussierelektrode 19 und der Isolierschicht 18 ausgebildet.
In der Fig. 11 ist die an die zusätzliche Fokussierelektrode 19 angelegte Gleichspannung V&sub1;' ungefähr 30 V. Andererseits ist eine Gleichspannung V&sub6;&sub1;, die an die Fokussierelektrode 17-1 angelegt wird, eine Zwischenspannung der Gatespannung V&sub5;&sub1;, die von einem Spannungsteiler 6-1 erzeugt worden ist. Als ein Ergebnis wird eine Fokussierbedingung, die durch die Differenz zwischen der Gateelektrode 14-1 und der Fokussierelektrode 17-1 bestimmt ist, nicht geändert, selbst wenn die Gatespannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 geändert wird. Anzumerken ist, dass, wenn die Spannung V&sub5;&sub1; an der Gateelektrode 14-1 geändert wird, während die Spannung V&sub6;&sub1; der Fokussierelektrode 17-1 konstant ist, die Fokussierbedingung, die durch die Potentialdifferenz zwischen der Gateelektrode 14-1 und der Fokussierelektrode 17-1 bestimmt ist, ebenfalls geändert wird, was in dem Elektronenstrahl eine Welligkeit verursacht.
In der Fig. 14, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, sind die Gatesteuerschaltungen 5-1 (5-2, ..., 5-6) gemäß Fig. 11 durch die Gatesteuerschaltungen 5'-1 (5'-2, ..., 5'-6) gemäß Fig. 10 ersetzt. Der Betrieb der Kaltkathode gemäß Fig. 14 ist der gleich wie derjenige der Kaltkathode gemäß Fig. 11.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann eine Bezugsspannungszufuhr 514 gemeinsam für die Gatesteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 (5'-1, 5'-2, ..., 5'-6), wie in der Fig. 15 dargestellt, vorgesehen sein, obwohl in jede der Gatesteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 (5'-1, 5'-2, ..., 5'-6) eine Bezugsspannungszufuhr, wie beispielsweise 514, eingebaut ist. In diesem Fall kann der Elektronenstrahl durch Einstellen nur einer Bezugsspannungszufuhr 514 gesteuert werden. Wie in der Fig. 15 dargestellt, können die Gatesteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 (5'-1, 5'-2, ..., 5'-6) auch innerhalb des Vakuumgehäuses 4 liegen, wodurch die Verbindungen verringert werden. Ferner können die Gatesteuerschaltungen 5-1, 5-2, ..., 5-6 (5'-1, 5'-2, ..., 5'-6) im Substrat 11 integriert sein. Ferner kann der Verstärkungsfaktor der Operationsverstärker 515, 525, ..., 565 unabhängig durch eine Steuerschaltung 20, wie in der Fig. 16 gezeigt, gesteuert werden. Beispielsweise hat die Steuerschaltung 20 sechs Digital/Analog-(D/A)-Wandler zum Erzeugen der Steuersignale S&sub1;, S&sub2;, ...
Anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung bei einer Kaltkathode vom Gray-Typ angewandt werden kann, bei der konische Emitter durch Ätzen eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind. In diesem Fall ist das Substrat 11 durch ein Halbleitersubstrat vom P-Typ gebildet und die Kathodenelektroden 12-1, 12-2, ..., 12-6 sind durch N&spplus;-Halbleiterschichten gebildet. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einer Kaltkathode vom Formtyp angewandt werden, bei der konische Emitter durch Abscheiden von Elektronen emittierenden Schichten in kleinen Formen gebildet werden.
Wie im vorstehenden erläutert, sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Kathodenelektrode und die Gateelektrode in eine Anzahl von Segmenten unterteilt, die einzeln gesteuert werden, wobei die Verteilung der Stromdichte gleichförmig über alle Kathoden individuell gesteuert werden kann, wodurch ein stabiler Elektronenstrahl erzielt wird.

Claims

1. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone mit:

einem Substrat (11),

einer Anzahl von Kathodenelektroden (12-1, 12-2, ...), die elektrisch isoliert und auf dem Substrat ausgebildet sind,

einer ersten Isolierschicht (13), die auf den Kathodenelektroden gebildet ist,

einer Anzahl von Torelektroden (14-1, 14-2, ...), die auf den ersten Elektroden gebildet sind, wobei erste Öffnungen in den Torelektroden und der ersten Isolierschicht gebildet sind,

einer Anzahl von konusförmigen Emittern (15), von denen jeder innerhalb einer der ersten Öffnungen auf den Kathodenelektroden ausgebildet ist,

gekennzeichnet durch

jede der Torelektroden, die einer der Kathodenelektroden gegenüberliegen,

eine Anzahl von Torsteuerschaltungen (5-1, 5-2, ..., 5'-1, 5'-2, ...), wobei jede der Torsteuerschaltungen zwischen einer der Kathodenelektroden und einer der Torelektroden gegenüberliegend der einen der Kathodenelektroden angeordnet ist, zum Erfassen eines Stromes, der durch die eine der Kathodenelektroden fließt, und zum Steuern einer Spannung der einen der Torelektroden in Übereinstimmung mit dem erfassten Strom, so dass der erfasste Strom auf einen konstanten Wert gebracht wird.

2. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei jede der Torsteuerschaltungen aufweist:

einen ersten Widerstand (511), der zwischen die eine der Kathodenelektroden und einem Masseanschluss geschaltet ist,

einen zweiten Widerstand (512), der zwischen die eine der Torelektroden und einen Spannungsversorgungsanschluss geschaltet ist,

einen Transistor (513) mit einem Kollektor, der mit der einen der Torelektroden verbunden ist, einer Basis, die mit der einen der Kathodenelektroden verbunden ist, und einem Emitter und

eine Bezugsspannungszufuhr (514), die zwischen dem Emitter des Transistors und dem Massenanschluss geschaltet ist.

3. Feldemissionskathoden-Elektrodenkanone nach Anspruch 1, wobei jede der Torsteuerschaltungen aufweist:

einen Widerstand (514), der zwischen die eine der Kathodenelektroden und einen Massenanschluss geschaltet ist,

einen Operationsverstärker (515) mit einem ersten Eingang, der mit der einen der Kathodenelektroden verbunden ist, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, der mit der einen der Torelektroden verbunden ist,

eine Bezugsspannungszufuhr (514), die mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.

4. Feldemissionskathoden-Elektrodenkanone nach Anspruch 1 mit weiterhin:

einer zweiten Isolierschicht (16), die auf den Torelektroden gebildet ist, und

einer Fokussierungselektrode (17), die auf der zweiten Isolierschicht gebildet ist, wobei eine konstante Spannung der Fokussierelektrode zugeführt wird,

wobei zweite Öffnungen in der Fokussierelektrode und der zweiten Isolierschicht gebildet sind, wobei jede der zweiten Öffnungen zu eine der ersten Öffnungen führt.

5. Feldemissionskathoden-Elektrodenkanone nach Anspruch 1 mit ferner:

einer zweiten Isolierschicht (16), die auf den Torelektroden gebildet ist, und

einer Anzahl von Fokussierelektroden (17-1, 17-2, ...), die auf der zweiten Isolierschicht gebildet sind,

wobei zweite Öffnungen in der Fokussierelektrode und der zweiten Isolierschicht gebildet sind, wobei jede der zweiten Öffnungen zu einer der ersten Öffnungen führt.

6. Feldemissionskathoden-Elektrodenkanone nach Anspruch 5, wobei jede der Torsteuerschaltungen aufweist:

einen ersten Widerstand (511), der zwischen die eine der Kathodenelektroden und einen Masseanschluss geschaltet ist,

einen zweiten Widerstand (512), der zwischen die eine der Torelektroden und einem Spannungsversorgungsanschluss geschaltet ist,

einen Transistor (513) mit einem Kollektor, der mit der einen der Torelektroden verbunden ist, einer Basis, die mit der einen der Kathodenelektroden verbunden ist, und einem Emitter,

eine Bezugspannungszufuhr (514), die zwischen den Emitter des Transistors und dem Masseanschluss geschaltet ist, und

einen Spannungsteiler (6-1), der zwischen die eine der Torelektroden und dem Masseanschluss geschaltet ist, wobei die Ausgabespannung des Spannungsteilers an eine der Fokussierelektroden angelegt wird.

7. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 5, wobei jede der Torsteuerschaltungen aufweist:

einen Widerstand (511), der zwischen die eine der Kathodenelektroden und einen Masseanschluss geschaltet ist,

eine Bezugsspannungszufuhr (515), die mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, und

einen Spannungsteiler (6-1), der zwischen die eine der Torelektroden und dem Masseanschluss geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannung des Spannungsteilers an eine der Fokussierelektroden angelegt wird.

8. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 5 mit ferner

einer dritten Isolierschicht (17), die auf den Fokussierelektroden gebildet ist, und

einer zusätzlichen Fokussierelektrode (18), die auf der dritten Isolierschicht gebildet ist, wobei eine konstante Spannung der zusätzlichen Fokussierelektrode angelegt wird,

wobei dritte Öffnungen in der zusätzlichen Fokussierelektrode und der dritten Isolierschicht gebildet sind, wobei jede der dritten Öffnungen zu einer der zweiten Öffnungen führt.

9. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 2, 3, 6 oder 7, wobei die Torsteuerschaltungen eine einzelne Bezugsspannungszufuhr (514) als die Bezugsspannungszufuhr aufweisen.

10. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein isolierendes Substrat aufweist.

11. Feldemissionskathoden-Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist,

wobei jede der Kathodenelektroden eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.