JP2000156149A - 半導体電子放出冷陰極素子 - Google Patents
半導体電子放出冷陰極素子Info
- Publication number
- JP2000156149A JP2000156149A JP34486698A JP34486698A JP2000156149A JP 2000156149 A JP2000156149 A JP 2000156149A JP 34486698 A JP34486698 A JP 34486698A JP 34486698 A JP34486698 A JP 34486698A JP 2000156149 A JP2000156149 A JP 2000156149A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- semiconductor
- electron emission
- electrode body
- electrons
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＰＮ接合なしで雪崩降伏現象を起こして熱い
電子を生じせしめてエネルギーを失うことなく半導体か
ら外部（真空）への電子の放出を効率よく行う。 【解決手段】 第一電極体３と仕事関数が小さな金属か
らなる第二電極体４との間に半導体２を配して一体構造
の電子放出冷陰極素子本体１を形成する。この電子放出
陰極素子本体１の第二電極体４と対向してコレクター電
極体６を配置する。このコレクター電極体６にプラス側
を接続したコレクター用電源７と電圧印加用電源８とを
直列接続し，この電圧印加用電源８のプラス側に第二電
極体４を，又マイナス側に第一電極体３を接続する。
電子を生じせしめてエネルギーを失うことなく半導体か
ら外部（真空）への電子の放出を効率よく行う。 【解決手段】 第一電極体３と仕事関数が小さな金属か
らなる第二電極体４との間に半導体２を配して一体構造
の電子放出冷陰極素子本体１を形成する。この電子放出
陰極素子本体１の第二電極体４と対向してコレクター電
極体６を配置する。このコレクター電極体６にプラス側
を接続したコレクター用電源７と電圧印加用電源８とを
直列接続し，この電圧印加用電源８のプラス側に第二電
極体４を，又マイナス側に第一電極体３を接続する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，金属を高温にする
ことなく，半導体に強い電界（たとえば１０6Ｖ／ｃ
ｍ）を印加するだけで電子を真空中に多量に放出し得る
電子放出冷陰極素子であり，従来の真空管やＣＲＴのよ
うに電子放出用のヒーターを必要とせず，そのために真
空マイクロエレクトロニクス素子やディスプレイに適用
した際に高集積化や平面化（薄肉化）を図り得て工業生
産上有益なものである。
ことなく，半導体に強い電界（たとえば１０6Ｖ／ｃ
ｍ）を印加するだけで電子を真空中に多量に放出し得る
電子放出冷陰極素子であり，従来の真空管やＣＲＴのよ
うに電子放出用のヒーターを必要とせず，そのために真
空マイクロエレクトロニクス素子やディスプレイに適用
した際に高集積化や平面化（薄肉化）を図り得て工業生
産上有益なものである。
【０００２】
【従来の技術】電子放出冷陰極素子としては，（イ）先
鋭な陰極（エミッタ）に高電界を作用することにより真
空中に電子を放出する電子放出（スピント）型，（ロ）
絶縁層をトンネルしてくる高エネルギーの電子を真空中
に放出する，金属-絶縁体-金属（ＭＩＭ）ダイオード構
造型、金属-絶縁体-半導体（ＭＩＳ）ダイオード構造
型，（ハ）ＰＮ接合の半導体を用いたものにして，その
ＰＮ接合の空乏層を利用して高エネルギーの電子を発生
させ真空中に放出させる形式等，種々の素子が考えられ
実用化が図られている。
鋭な陰極（エミッタ）に高電界を作用することにより真
空中に電子を放出する電子放出（スピント）型，（ロ）
絶縁層をトンネルしてくる高エネルギーの電子を真空中
に放出する，金属-絶縁体-金属（ＭＩＭ）ダイオード構
造型、金属-絶縁体-半導体（ＭＩＳ）ダイオード構造
型，（ハ）ＰＮ接合の半導体を用いたものにして，その
ＰＮ接合の空乏層を利用して高エネルギーの電子を発生
させ真空中に放出させる形式等，種々の素子が考えられ
実用化が図られている。
【０００３】しかしながら前記（イ）の素子にあって
は，陰極の劣化、破壊という技術課題がある。前記
（ロ）の素子にあっては，絶縁層をトンネルする電子量
は絶縁層の膜厚が厚くなると指数関数的に少なくなるた
めに絶縁層としては、トンネル効果の起こる数ｎｍの極
薄の膜厚で、かつ絶縁破壊の生じない均一な厚さの薄膜
が必要とされるが，このような均一な厚さの薄膜の絶縁
層の製作が技術的に困難である。前記（ハ）の素子にあ
っては，ＰＮ接合の空乏層で発生した電子はそのエネル
ギーをＰ，Ｎ層で奪われるので，電子を効率よく真空中
に放出することができず，又高エネルギーの電子の放出
を配慮すると構造自体も複雑となって製作が困難である
という問題がある。
は，陰極の劣化、破壊という技術課題がある。前記
（ロ）の素子にあっては，絶縁層をトンネルする電子量
は絶縁層の膜厚が厚くなると指数関数的に少なくなるた
めに絶縁層としては、トンネル効果の起こる数ｎｍの極
薄の膜厚で、かつ絶縁破壊の生じない均一な厚さの薄膜
が必要とされるが，このような均一な厚さの薄膜の絶縁
層の製作が技術的に困難である。前記（ハ）の素子にあ
っては，ＰＮ接合の空乏層で発生した電子はそのエネル
ギーをＰ，Ｎ層で奪われるので，電子を効率よく真空中
に放出することができず，又高エネルギーの電子の放出
を配慮すると構造自体も複雑となって製作が困難である
という問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は，上記実状に
鑑み，効率的に電子を半導体から外部（真空）に放出で
き，構造簡単にして容易に製作し得る電子放出冷陰極素
子を提供することを目的とする。
鑑み，効率的に電子を半導体から外部（真空）に放出で
き，構造簡単にして容易に製作し得る電子放出冷陰極素
子を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の原理】半導体に電圧を印加すると、生じた高電
界に引かれて電子が急激に加速されてプラス側に移動す
る。このとき、電子は結晶を構成する原子と強く衝突
し，この衝突により原子から複数の電子がたたき出され
ることになり，たたき出された電子が高電界によって一
層加速され他の原子と衝突し、再び電子がたたき出され
ることになる。この過程を繰り返していくと、電子は雪
崩的に増加して行くことになる。この際に高電界が加わ
ると電子は結晶格子に衝突して持っているエネルギーを
全て失わずに熱平衡の高い値を持つ事が出来る。このよ
うに高い電界で加速された高エネルギーを持つ電子や正
孔のことを、熱い電子（hot electron）と熱い正孔（ho
t hall）という。この熱い電子は高エネルギーを持った
電子であるので，電極の仕事関数を越えるものもあり，
プラス電極の膜厚が電極を構成する金属の平均自由行程
より薄い時，電極を通過して外部（真空中）に放出され
ることになる。本発明は上記現象に着眼し，半導体中で
の電子の原子への衝突を波及的に繰り返すことにより，
雪崩的に増加し，かつエネルギーレベルが高くなった電
子を放出源電子とするものである。
界に引かれて電子が急激に加速されてプラス側に移動す
る。このとき、電子は結晶を構成する原子と強く衝突
し，この衝突により原子から複数の電子がたたき出され
ることになり，たたき出された電子が高電界によって一
層加速され他の原子と衝突し、再び電子がたたき出され
ることになる。この過程を繰り返していくと、電子は雪
崩的に増加して行くことになる。この際に高電界が加わ
ると電子は結晶格子に衝突して持っているエネルギーを
全て失わずに熱平衡の高い値を持つ事が出来る。このよ
うに高い電界で加速された高エネルギーを持つ電子や正
孔のことを、熱い電子（hot electron）と熱い正孔（ho
t hall）という。この熱い電子は高エネルギーを持った
電子であるので，電極の仕事関数を越えるものもあり，
プラス電極の膜厚が電極を構成する金属の平均自由行程
より薄い時，電極を通過して外部（真空中）に放出され
ることになる。本発明は上記現象に着眼し，半導体中で
の電子の原子への衝突を波及的に繰り返すことにより，
雪崩的に増加し，かつエネルギーレベルが高くなった電
子を放出源電子とするものである。
【０００６】
【問題を解決するための手段】本発明は第一電極体とし
て母結晶の半導体の金属イオンよりも価数が大きい別の
金属を添加（ドープ）した導電性のある電極板の上に母
結晶の半導体をスパッタリング，蒸着等でグレインが出
来ないようにエピタキシャル成長させ，結晶化半導体層
を作製させる。次に半導体層の上に蒸着等で仕事関数が
小さな金属を第二電極体としてつけ，一体構造に電子放
出冷陰極素子本体を形成し，上記第二電極体と対向して
コレクター電極体を配設し，コレクター用電源に直接接
続した電圧印加用電源のマイナス側に上記第一電極体を
又コレクター用電源のプラス側にコレクター電極体をそ
れぞれ接続すると共に，電圧印加用電源のプラス側に上
記第二電極体を接続してなるものである。
て母結晶の半導体の金属イオンよりも価数が大きい別の
金属を添加（ドープ）した導電性のある電極板の上に母
結晶の半導体をスパッタリング，蒸着等でグレインが出
来ないようにエピタキシャル成長させ，結晶化半導体層
を作製させる。次に半導体層の上に蒸着等で仕事関数が
小さな金属を第二電極体としてつけ，一体構造に電子放
出冷陰極素子本体を形成し，上記第二電極体と対向して
コレクター電極体を配設し，コレクター用電源に直接接
続した電圧印加用電源のマイナス側に上記第一電極体を
又コレクター用電源のプラス側にコレクター電極体をそ
れぞれ接続すると共に，電圧印加用電源のプラス側に上
記第二電極体を接続してなるものである。
【０００７】電子放出冷陰極素子本体の結晶化半導体層
に強い電界がかかり，ＰＮ接合なしで雪崩降伏現象を起
こすことができて熱い電子を生じせしめられ，この熱い
電子は高エネルギーを有するのでポテンシャル障壁を越
えて外部に放出できる。
に強い電界がかかり，ＰＮ接合なしで雪崩降伏現象を起
こすことができて熱い電子を生じせしめられ，この熱い
電子は高エネルギーを有するのでポテンシャル障壁を越
えて外部に放出できる。
【０００８】禁制体の幅が１．２ｅＶ〜５．０ｅＶのワ
イドバンドギャップ半導体を，電子放出冷陰極素子本体
の半導体層の半導体に用いてもよい。
イドバンドギャップ半導体を，電子放出冷陰極素子本体
の半導体層の半導体に用いてもよい。
【０００９】この場合，半導体のバンドギャップが広い
ため，雪崩降伏現象により生じる熱い電子のエネルギー
レベルが高いので電子を効率よく放出できる。
ため，雪崩降伏現象により生じる熱い電子のエネルギー
レベルが高いので電子を効率よく放出できる。
【００１０】
【発明実施の形態】以下，本発明の実施の形態を図示例
と共に説明する。
と共に説明する。
【００１１】図１は本発明の一形態例の構造を示すもの
にして電子放出冷陰極素子本体は図２のＩ−Ｉ方向から
の矢視図であり，図２は図１の電子放出冷陰極素子本体
の平面図である。
にして電子放出冷陰極素子本体は図２のＩ−Ｉ方向から
の矢視図であり，図２は図１の電子放出冷陰極素子本体
の平面図である。
【００１２】図中３は母結晶の半導体の金属イオンより
も価数が大きい別の金属（たとえばＮｂ）を母結晶の半
導体（例えばＳｒＴｉＯ3）に添加（ドープ）した導電
性のある第一電極体であり，２は電極体３の上に母結晶
の半導体をスパッタリング，蒸着等でグレインが出来な
いようにエピタキシャル成長させた結晶化半導体層であ
り，この半導体層２は上記第一電極体３の一面（図では
上面）にスパッタリングや蒸着により一体化されてい
る。
も価数が大きい別の金属（たとえばＮｂ）を母結晶の半
導体（例えばＳｒＴｉＯ3）に添加（ドープ）した導電
性のある第一電極体であり，２は電極体３の上に母結晶
の半導体をスパッタリング，蒸着等でグレインが出来な
いようにエピタキシャル成長させた結晶化半導体層であ
り，この半導体層２は上記第一電極体３の一面（図では
上面）にスパッタリングや蒸着により一体化されてい
る。
【００１３】図中４は中央部に所要形状（図では正方
形）の貫通孔５が適数（図では１個）穿設されており，
且つ仕事関数が小さな金属（例えばＢａ（2.11eV），Ｌ
ａＢ6（2.6eV）等）からなる第二電極体であり，この第
二電極体４は上記半導体層２の他面（図では上面）にス
パッタリングや蒸着等により一体化されている。
形）の貫通孔５が適数（図では１個）穿設されており，
且つ仕事関数が小さな金属（例えばＢａ（2.11eV），Ｌ
ａＢ6（2.6eV）等）からなる第二電極体であり，この第
二電極体４は上記半導体層２の他面（図では上面）にス
パッタリングや蒸着等により一体化されている。
【００１４】上記の様に半導体層２が第一電極体３と第
二電極体４とによりサンドイッチ状の構造に，電子放出
冷陰極素子本体１が形成されている。
二電極体４とによりサンドイッチ状の構造に，電子放出
冷陰極素子本体１が形成されている。
【００１５】上記のようにして形成した電子放出冷陰極
素子本体１の第二電極４の半導体層２とは逆側の面と対
向するようにコレクター電極６が配置されており，コレ
クター用電源７と電圧印加用電源８とが直列接続されて
いると共に，コレクター用電源７のプラス側にコレクタ
ー電極体６が又電圧印加用電源８のマイナス側に第１電
極体３がそれぞれに接続されており，更にコレクター用
電源７のマイナス側と電圧印加用電源８のプラス側との
接続線に第二電極体４がスイッチ９を介し接続されてい
る。
素子本体１の第二電極４の半導体層２とは逆側の面と対
向するようにコレクター電極６が配置されており，コレ
クター用電源７と電圧印加用電源８とが直列接続されて
いると共に，コレクター用電源７のプラス側にコレクタ
ー電極体６が又電圧印加用電源８のマイナス側に第１電
極体３がそれぞれに接続されており，更にコレクター用
電源７のマイナス側と電圧印加用電源８のプラス側との
接続線に第二電極体４がスイッチ９を介し接続されてい
る。
【００１６】上記のようにした構造の本発明の電子放出
冷陰極素子を真空中に設置する。
冷陰極素子を真空中に設置する。
【００１７】スイッチをＯＦＦからＯＮに切り替え第一
電極体３と第二電極体４との間に電圧を印可すると，半
導体層２に高い電界がかかる。この半導体層２は雪崩降
伏ダイオードの空乏層として機能し，ＰＮ接合なしに電
子の雪崩降伏現象が発生する。即ち高い電界により加速
された高エネルギーを持つ熱い電子と熱い正孔が半導体
層２に波及的に生じる。この半導体層２には空間電化密
度が変わる空間電荷層（遷移領域）がないので，熱い電
子はエネルギーを奪い取られることなくエネルギーレベ
ルが高い状態で仕事関数の小さい第二電極体４を通過し
て真空中に矢印で示すように放出されると共に，第二電
極体４の貫通孔５からも散乱した熱い電子が真空中に矢
印で示したように放出されることになる。
電極体３と第二電極体４との間に電圧を印可すると，半
導体層２に高い電界がかかる。この半導体層２は雪崩降
伏ダイオードの空乏層として機能し，ＰＮ接合なしに電
子の雪崩降伏現象が発生する。即ち高い電界により加速
された高エネルギーを持つ熱い電子と熱い正孔が半導体
層２に波及的に生じる。この半導体層２には空間電化密
度が変わる空間電荷層（遷移領域）がないので，熱い電
子はエネルギーを奪い取られることなくエネルギーレベ
ルが高い状態で仕事関数の小さい第二電極体４を通過し
て真空中に矢印で示すように放出されると共に，第二電
極体４の貫通孔５からも散乱した熱い電子が真空中に矢
印で示したように放出されることになる。
【００１８】コレクター電極体６はコレクター用電源７
により正極として機能しているので，第二電極体４及び
貫通孔５から放出された電子が上記コレクター電極体６
に収束される。一方半導体層２生じた熱い正孔は電圧印
加用電源８のマイナス側に流れる。
により正極として機能しているので，第二電極体４及び
貫通孔５から放出された電子が上記コレクター電極体６
に収束される。一方半導体層２生じた熱い正孔は電圧印
加用電源８のマイナス側に流れる。
【００１９】半導体層２として禁制帯の幅（バンドギャ
ップ）が１．２ｅＶ〜５．０ｅＶのワイドギャップの半
導体を使用すると熱い電子のエネルギーレベルをより高
くでき電子を効率よく放出できて好都合であると共に，
第二電極体４をメッシュ構造にすると電子放出面積を大
きくできて高効率に電子を放出できる。
ップ）が１．２ｅＶ〜５．０ｅＶのワイドギャップの半
導体を使用すると熱い電子のエネルギーレベルをより高
くでき電子を効率よく放出できて好都合であると共に，
第二電極体４をメッシュ構造にすると電子放出面積を大
きくできて高効率に電子を放出できる。
【００２０】
【発明の効果】以上述べたように本発明の電子放出冷陰
極素子によれば，半導体のＰＮ接合を利用することな
く，高エネルギーを有する熱い電子を発生させることが
でき，Ｐ層，Ｎ層がないため雪崩降伏現象で生じた高い
エネルギーを持った熱い電子のエネルギーをＰ層，Ｎ層
で消失させる事なく，効率よく半導体から真空中に放出
する事ができる。ＰＮ接合を要しないので構造が簡単で
作製が容易である，等種々の優れた効果を発揮し，高集
積化や平面化の面においても産業上有益なものである。
極素子によれば，半導体のＰＮ接合を利用することな
く，高エネルギーを有する熱い電子を発生させることが
でき，Ｐ層，Ｎ層がないため雪崩降伏現象で生じた高い
エネルギーを持った熱い電子のエネルギーをＰ層，Ｎ層
で消失させる事なく，効率よく半導体から真空中に放出
する事ができる。ＰＮ接合を要しないので構造が簡単で
作製が容易である，等種々の優れた効果を発揮し，高集
積化や平面化の面においても産業上有益なものである。
【図１】本発明の一形態の構造を示すものにして電子冷
陰極素子本体は図２のＩ−Ｉ方向からの矢視図である。
陰極素子本体は図２のＩ−Ｉ方向からの矢視図である。
【図２】図１の電子冷陰極素子の平面図である。
１・・・・電子冷陰極素子本体 ２・・・・半導体層 ３・・・・第１電極体 ４・・・・第２電極体 ５・・・・貫通孔 ６・・・・コレクター電極体 ７・・・・コレクター用電源 ８・・・・電圧印加用電源 ９・・・・スイッチ
Claims (2)
- 【請求項１】 第一電極体と仕事関数が小さな金属から
なる第二電極体との間に半導体を配して一体構造の電子
放出冷陰極素子本体を形成し上記第二電極と対向してコ
レクター電極体を配設し，コレクター用電源に直列接続
した電圧印加用電源のマイナス側に上記第一電極体を又
コレクター用電源のプラス側にコレクター電極体をそれ
ぞれ接続すると共に，電圧印加用電源のプラス側に上記
第二電極体を接続してなることを特徴とする電子放出陰
極素子。 - 【請求項２】 禁制帯の幅が１．２ｅＶ〜５．０ｅＶの
ワイドバンドギャップ半導体を，電子放出冷陰極素子本
体の半導体層の半導体に用いた請求項１記載の電子放出
冷陰極素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34486698A JP2000156149A (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | 半導体電子放出冷陰極素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34486698A JP2000156149A (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | 半導体電子放出冷陰極素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000156149A true JP2000156149A (ja) | 2000-06-06 |
Family
ID=18372606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34486698A Pending JP2000156149A (ja) | 1998-11-19 | 1998-11-19 | 半導体電子放出冷陰極素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000156149A (ja) |
-
1998
- 1998-11-19 JP JP34486698A patent/JP2000156149A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5984752A (en) | Electron emission cathode; an electron emission device, a flat display, a thermoelectric cooling device incorporating the same; and a method for producing the electron emission cathode | |
| US6495843B1 (en) | Method for increasing emission through a potential barrier | |
| US5138402A (en) | Semiconductor electron emitting device | |
| US3581151A (en) | Cold cathode structure comprising semiconductor whisker elements | |
| US4801994A (en) | Semiconductor electron-current generating device having improved cathode efficiency | |
| JP3214256B2 (ja) | 電子パルス放出装置および表示装置 | |
| JPH021327B2 (ja) | ||
| AU755927B2 (en) | Planar electron emitter (PEE) | |
| US3611077A (en) | Thin film room-temperature electron emitter | |
| US2786880A (en) | Signal translating device | |
| US5814832A (en) | Electron emitting semiconductor device | |
| US3600705A (en) | Highly efficient subcritically doped electron-transfer effect devices | |
| US5031015A (en) | Solid-state heterojunction electron beam generator | |
| US3334248A (en) | Space charge barrier hot electron cathode | |
| JP2000156149A (ja) | 半導体電子放出冷陰極素子 | |
| JP3102783B2 (ja) | 外部電界を利用して電子放出を活性化させた冷陰極電子放出素子 | |
| JPH08321256A (ja) | 電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法 | |
| JP6272223B2 (ja) | 真空中での電子放出のための半導体素子 | |
| JP3260502B2 (ja) | 電子放出素子 | |
| JPS62229731A (ja) | 電子ビ−ム発生用半導体デバイス | |
| JP2000294116A (ja) | 半導体電子放出冷陰極素子 | |
| JP2735118B2 (ja) | 冷陰極真空管 | |
| US3364367A (en) | Solid state electron multiplier including reverse-biased, dissimilar semiconductor layers | |
| CN212392204U (zh) | 一种片上级联电子源及真空电子器件 | |
| KR100354532B1 (ko) | 복수방출부 냉음극소자 |