JP2000260297A

JP2000260297A - 電界放射冷陰極

Info

Publication number: JP2000260297A
Application number: JP5794899A
Authority: JP
Inventors: Nobuya Seko; 暢哉世古
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】動作時に制御電極の電圧をコントロールするこ
とで電流−電圧特性を操作するのではなく、素子設計時
等に特性を決定することができ、使用時には制御電極の
電源電圧の制御を不要とし、印加電圧に応じて直線的な
電流変化が得られる、電界放出陰極の提供。【解決手段】所定の電流制限特性をそれぞれ有し一面が
基板表面に露出し前記基板内の溝に設けられ断面形状が
矩形型の抵抗ブロックを複数配置し、１ブロックあたり
所定のエミッション電流−印加電圧特性を持つ１又は複
数のエミッタを前記各抵抗ブロック上に配置してなるブ
ロック群を１又は複数備え、前記複数のブロック群は、
エミッション電流−印加電圧特性においてエミッション
電流の立ち上がり特性と電流制限特性が互いに相違して
おり、これら複数のブロックを同一のエミッタアレイ内
に備え、複数のブロック群の電流−電圧特性が合成され
て所望の電流−電圧特性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射冷陰極に
関し、特に、画像処理装置に適用して好適とされる、所
望の電流−電圧特性を得ることができる電界放射冷陰極
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放射冷陰極は、その基本セル構成と
しては、基板上に先鋭な先端形状を持つエミッタを備
え、エミッタを取り囲む開口部を有する絶縁層を設け、
この絶縁層上に開口を有するゲート電極を備えて構成さ
れ、通常複数個（例えば数100〜数10万個）の電界放射
エミッタを並列動作させる、電界放射エミッタアレイの
形態で使用されることが多い。また、従来、同一のゲー
ト電極内に作られるエミッタの特性は同一となるように
設定されている。

【０００３】シリコン基板のエッチングするタイプのエ
ミッタアレイを作る際に、直径の異なるパターンを複数
作り込んでおき、プロセス上のばらつきによりそのうち
のどれかが使用可能になるという提案が、K.Betsui et
al. “６４×３２−Matri× Siricon Field Emit
ter Array”、Technical Digest of 6th Internat
ional Vacuum Microelectronics Conference 137(1
993) に開示されているが、これは、全てのゲート径の
異なるエミッタを動作させようとしたものではない。

【０００４】そして、同一の仕様のエミッタを動作させ
ているので、その電流−電圧特性はＦＮ（ファウラー・
ノルトハイム）の式（下記の式（１））によって規定さ
れる、ある関係でしかあり得なかった。

【０００５】また個々のエミッタの特性差は並列動作さ
せることにより、ある程度、平均化させることができる
が、大面積にエミッタを形成するようなＦＥＤ（フィー
ルドエミッションディスプレィ）を考えると、面内の特
性ばらつきが問題となる。

【０００６】電流制限機構として、トレンチで囲まれた
抵抗ブロックについは、以下の刊行物の記載が参照され
る。

【０００７】例えば特開平10−12128号公報には、カソ
ード電極に接続されたエミッタと、エミッタ上に開口を
有するように形成されたゲート電極を有する電界放射冷
陰極において、カソード電極に接続されたシリコン基板
とエミッタとの間に形成された第１導電型抵抗層にエミ
ッタ毎に分離されるようにエミッタを囲む溝（分離溝）
を設け、エミッタに接続された抵抗が放電等により高電
圧が印加された際に、抵抗値が変化しエミッタに大電流
が流れ素子が破壊されることを防止する電界放射冷陰極
が提案されている。これは、分離溝を形成して、絶縁材
を埋設し、エミッタの耐電圧を改善するというものであ
る。

【０００８】また例えば特開平10−50201号公報には、
ｎ型シリコン基板内部に、複数のエミッタコーンの夫々
の直下のｎ型シリコンの領域を囲繞するようにして形成
されたコーン直下包囲絶縁層を備えた構成が開示されて
いる。

【０００９】そして特開平10-283913号公報（特願平09
−080840号）には、エミッションエリア全域において均
一なエミッションを得る電界放出型冷陰極として、エミ
ッタ領域をトレンチ分割する構成で、最外周トレンチブ
ロック流入電流が飽和領域特性に入らないように、外周
トレンチブロックの大きさを広げる、トレンチ幅を厚く
する、外周トレンチ壁にｎ⁺イオンを注入した構成が開
示されている。

【００１０】また冷陰極形成基板の配線、パッド下にト
レンチで囲繞の縦抵抗を形成するという技術も知られて
いる。

【００１１】電界放射冷陰極のＩ−Ｖ（エミッション電
流−印加電圧）特性を変えるものとして、例えば特開平
09−22650号公報には、図１５に示すように、基板上に
形成された第１のゲート電極202と、先端部が尖鋭な形
状とされたエミッタ201を含み、第１のゲート電極202に
離間して第２のゲート電極203が形成され、第１及び第
２のゲート電極に離間してアノード電極208が配設さ
れ、第２のゲート電極203をエミッタ201からの放出電流
が小さい場合に第１のゲート電極202の電圧を実効的に
抑制するようにバイアス制御する、ことで、エミッショ
ン特性がＦＮ特性から実効上、熱カソードと同様なガン
マ特性となるようにした構成が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１５
に示した従来の技術では、ガンマ特性を得るには、使用
時に制御用のバイアス電源を制御しなくてはならない。
このための、バイアス電源回路及び制御回路等が必要と
なる。

【００１３】したがって本発明は、上記問題点に鑑みて
なされたものであって、その目的は、動作時に制御電極
の電圧をコントロールすることで電流−電圧特性を操作
するのではなく、素子設計時等に特性を決定することが
でき、使用時には制御電極の電源電圧の制御を不要と
し、印加電圧に応じて任意の（たとえば直線的な）電流
変化が得られる、電界放出陰極を提供することにある。

【００１４】また本発明の目的は、大面積にエミッタを
形成するようなＦＥＤ（フィールドエミッションディス
プレイ）等に適用した場合、面内の特性ばらつきを低減
する、電界放出陰極を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の電界放射冷陰極は、非線形の電流−電圧特性を持つ
電流制限手段の一端に対して、１又は複数の電界放射エ
ミッタが並列接続され、陰極の動作電流領域において電
流制限がはたらくように設定されたブロックが、ゲート
電極の電圧および前記電流制限手段の他端を共通として
１又は複数個備えてなる。以下の説明で明らかとされる
ように、上記目的は特許請求の範囲の請求項１乃至２４
のいずれの発明によっても達成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。真空電子デバイスの電子源として用いられる電界
放射冷陰極においては、電流−電圧特性の異なる電流制
限機構と電界放射エミッタとを相互に組み合わせて、こ
れらを同一の素子に作り込み、同時に動作させる。これ
により、電界放射の持つＦＮ（ファウラー・ノルドハイ
ム）特性とは異なる電流−電圧特性が得られる。

【００１７】電界放射電流は、次のファウラー・ノルド
ハイム（ＦＮ＝Fowler Nordheim）の式(1)によって表
される。

【００１８】但し、Ｊは電流密度、Ｆは電界強度、Ａ，
Ｂは定数、φは仕事関数であり、またβは「電界集中係
数」と呼ばれ、電圧Ｖを電界Ｆに変換する係数であり、
エミッタ先端の先鋭度（曲率半径）や、エミッタとゲー
ト（引き出し電極）の距離などの幾何学形状で決まる。

【００１９】エミッタの先端が鋭く尖っているほど、ま
た、エミッタ−ゲートの電極間隔が近いほどβの値は大
きくなり、低電圧で大きな電流が得られる。また仕事関
数φは、その値が小さいほど大きな電流が得られる。

【００２０】電界放射冷陰極の電流（エミッション電
流）−電圧（印加電圧）の特性の一例を図１に示す。図
１では、印加電圧に対して得られるエミッション電流を
エミッタ１個あたりの電流で表している。図１の特性１
はゲート径0.35μｍφ、２はゲート径0.6μｍφの場合
である。いずれも先のＦＮの式（１）の関係で示される
ような、非線形の電流−電圧特性である。ゲート径の小
さな特性１の方が、特性２に比べて、低い印加電圧か
ら、電流が立ち上がり始める。なお、図１に示す特性に
おいて、ゲート径とは、基板上のエミッタを囲むように
設けられたゲート電極の開口径をいう。

【００２１】このほかにも、エミッタ材料、エミッタ先
端の形状等をかえることで、エミッション特性を変化さ
せることができる。なおエミッション特性とは、エミッ
ション電流と印加電圧との電流−電圧特性において、エ
ミッション電流の立ち上がり特性をいう。

【００２２】またゲート径が同じであっても、エミッタ
の高さを変えることにより、エミッション特性を変える
ことができる。エミッタの高さをゲートの高さよりも低
くすることは、ゲートからエミッタを離すことになる。

【００２３】一方、シリコン基板にエミッタを形成すべ
き領域を分割するように溝（トレンチ）を掘り、絶縁層
で埋設して基板を柱状のブロックに分離して、このブロ
ック状にエミッタを形成するという技術は、前述したよ
うに特開平10−012128号公報、特開平10−050201号公
報、特開平10-283913号公報（特願平09−080840号）等
に提案されている。これらのトレンチを設ける電界放出
冷陰極においては、各エミッタからのエミッション電流
は、トレンチ（溝）で囲まれた抵抗ブロックを流れる。
通常は、このブロックが多数並列に並んだ状態で使用さ
れるが、放電が発生した場合など、大電流が流れた場合
には、ブロックでの電圧降下が大きくなり、周囲との電
位差によりブロック内に空乏層ができ、電流を制限する
一種の抵抗として機能し、放電の持続を断ち切り素子の
破壊を防ぐというものである。

【００２４】このブロック(抵抗素子）の電流電圧特性
は、例えば図２及び図３に示すようなものとなる。

【００２５】図２は、抵抗ブロックサイズ（ブロックの
水平断面を正方形にしたときの辺の長さ）を変えたとき
の、電流−電圧特性を比較して示した図であり、特性１
１〜１４は、それぞれ、21.2μｍ、10.5μｍ、9.3μ
ｍ、6.9μｍ、4.5μｍの辺の特性に対応する。図２から
もわかるように、ブロックサイズが小さいほど、電流制
限が強く働くことが分かる。

【００２６】図３は、ブロック内の不純物濃度（１×１
０¹⁴、１×１０¹⁵、１×１０¹⁶／ｃｍ³）を変えたとき
の電流−電圧特性を比較して示す図である。図３から、
不純物濃度が薄いほど、電流制限が強く働くことが分か
る。すなわち不純物濃度１×１０¹ ⁴／ｃｍ³の特性２３
の制限電流の値が最も小さく、不純物濃度１×１０¹⁶／
ｃｍ³の特性２１の制限電流の値が最も大きい。

【００２７】電流制限については、この他にも、ブロッ
クを形成するトレンチの深さを深くするほど、電流制限
が強く働くという傾向が確認されている。

【００２８】このように、抵抗ブロックの形状、不純物
濃度等をかえることで、電流制限特性を変化させること
が可能である。また、当然ながら複数の要素を組み合わ
せて変化させることでも、電流制限特性を変化させるこ
とができる。

【００２９】電流制限のかかる電流値を放電電流のよう
な大電流領域でなく、比較的低電流域に設定した抵抗ブ
ロックの上にエミッタを形成した場合の動作について説
明する。

【００３０】印加電圧は、ゲート−エミッタ間と抵抗ブ
ロック両端で分配される。ゲート電圧（印加電圧）が小
さくエミッション電流が小さい時には、抵抗ブロックの
両端の電圧（等価的な端子間電圧）は小さく、ゲート−
エミッタ間に印加電圧のほとんどがかかる。

【００３１】印加電圧を高くして、エミッション電流が
大きくなってくると、それに伴い抵抗ブロックの両端の
電圧は上昇し始める。

【００３２】エミッション電流がある程度以上になる
と、抵抗ブロックの特性上、その両端間の電圧が急に増
大し、このため、ゲート−エミッタ間の電圧は印加電圧
を上げても上昇が少なくなる。その結果、エミッション
電流は、印加電圧とともに増大せず、頭打ち状態とな
る。

【００３３】抵抗ブロックが電流制限が強くかかる特性
を示す場合には、より低電圧からエミッション電流の延
びが鈍りはじめ、低い電流値で頭打ちとなる。一方、電
流制限が弱い場合には、逆に高電流領域にならないと、
エミッション電流の延びは鈍らず、高い電流値で頭打ち
となる。

【００３４】このように、抵抗ブロックの電流制限特性
と、この抵抗ブロックに接続されたエミッタのエミッシ
ョン特性およびその個数を適宜組み合わせることによ
り、様々な電流−電圧特性をもつブロックを実現でき
る。さらに、これら特性の異なる複数のブロックそれぞ
れの個数を適宜変えて組み合わせて陰極全体を構成する
ことによって、総合的な電流−電圧特性が大きな自由度
をもって変えられる。

【００３５】図４は、エミッション特性として、図１に
示したゲート径が0.35μｍの特性１を示すエミッタを、
図３に示した電流制限特性２３（１×１０¹⁴／ｃｍ³）
と同じ電流制限特性を持つ抵抗ブロックの上に、それぞ
れ３６、６４、１００個配置したときの電流−電圧特性
を１エミッタあたりの電流特性（特性３１、３２、３
３）で示し、また、比較例として、抵抗ブロックの無い
場合の電流−電圧特性を１エミッタあたりの電流特性
（特性３０）が示されている。

【００３６】抵抗ブロックの電流制限特性の制御は、前
記した方法のうちいずれの方法でも良い。

【００３７】また実効的な電流制限特性は、１つの抵抗
ブロックの中に作り込むエミッタの数を変えることで
も、変化させることができる。

【００３８】

【実施例】本発明の実施例について図面を参照して以下
に説明する。図５は、図３に示した不純物１×１０¹⁴／
ｃｍ³の特性２３を持つ抵抗ブロックを基板に配置し、
第１のブロック群として、１ブロックあたり、ゲート径
0.35μｍ（Ｉ−Ｖ特性は図１の特性１に相当）のエミッ
タを２５個ずつ配置したブロックが３０ブロックからな
り、第２のブロック群として、１ブロックあたり、ゲー
ト径0.6μｍ（Ｉ−Ｖ特性は図１の特性２に相当）のエ
ミッタを４９個ずつ配置したブロックが４０ブロックか
らなり、これらを、同一のエミッタアレイの中に作り込
んだ場合の第１、第２のブロック群の電流−電圧特性３
５、３６と、全体の電流−電圧特性３７を示す図であ
る。

【００３９】図５を参照すると、第１、２のブロック群
の各特性３５、３６は、エミッション電流の立ち上がり
特性と、電流制限特性とが相違しており、これらの特性
を足し合わせた特性３７は、広い範囲において、電流と
電圧の関係が直線になる領域３９を持っていることが分
かる。

【００４０】ここでは、エミッタの特性を、ゲート開口
径で違いを持たせ、電流制限特性は１ブロック内のエミ
ッタ数で違いを持たせているが、前述したように、エミ
ッタサイズ、エミッタ材料等の変更によって、同じ様な
特性の差異を作り出すようにしてもよい。

【００４１】総電流量が、図５に示した特性のものより
も多く必要な場合や、あるいは、もっと少なくても良い
場合には、第１および第２のブロック群のそれぞれのブ
ロック数の比率を一定にして、その数を増減させれば、
同様に直線性のよい特性をもった素子が得られる。

【００４２】図５では、第１、第２のブロック群の足し
合わせによって、特性を実現したが、さらに細かくし
て、３つのブロック群に分けても良い。

【００４３】この場合、抵抗ブロックの特性、ブロック
内エミッタ数、エミッタ単体の特性、ブロックの構成比
率等は、全て異なっていてもよいし、それらの内の一部
だけが異なるようにしてもよい。

【００４４】第１および第２のブロック群の各ブロック
の配置としては、例えば図６に平面図として示すよう
に、エミッタエリア上の全体に配置することで、ここか
ら引き出される電子ビーム内の電流密度はほぼ均一にな
る。なお、図６ではブロックの配置のみを示している。

【００４５】印加電圧の増加に伴い、電流立ち上がりの
早いブロック群を、低めの印加電圧領域で電流制限し、
電流立ち上がりの遅いブロック群を高めの印加電圧領域
で電流制限することにより、総合的にＩ−Ｖ特性が直線
的な部分を作り出す。

【００４６】従来法では、動作時に、制御電極の電圧を
コントロールして電流−電圧特性を操作するのに対し
て、本実施例では、素子の設計時に特性を決定すること
ができ、使用時には特性制御用の電源は不要であり、印
加電圧に応じて直線的な電流変化が得られる。そして、
本発明を増幅素子に適用した場合には、動作領域でリニ
アな入出力特性が得られ、入力電圧波形に対して歪みの
少ない出力が得られる。

【００４７】前記実施例では、第１、第２のブロック群
を均一に混在させて、エミッタエリア上の全体に配置し
たが、第１、第２のブロック群の配置を面内で変化させ
ることで、電流量に応じて、エミッタエリアの放射電流
密度に分布を持たせることができる。

【００４８】本発明の第２の実施例は、図７に示すよう
に、第１のブロック群をエミッタエリアの外周部を主に
配置し、第２のブロック群を内部を主に配置する。配置
の形態は、図７に示した例に限定されず、所望の特性を
得るための他の配置であっても良い。

【００４９】また、ブロック群は３以上の組み合わせで
もよい。そして、複数のブロック群を総合して有られる
全体の電流−電圧特性は、必ずしも直線でなくてもよ
く、所望する任意の特性としてもよいことは勿論であ
る。

【００５０】次に本発明の第２の実施例の動作について
説明する。印加電圧の低い低電流領域では、エミッタ領
域（エリア）の外周部の第１のブロック群が主にエミッ
ションを分担するが、印加電圧の高い高電流領域では、
外周部での電流は増加せず、エミッタエリア内側に配置
された第２のブロック群のエミッションが増加する。

【００５１】電流が増えるほど、エミッタエリア内部の
電流密度が上がるようになっており、高電流での電子同
士の反発によるビームの広がりを考慮すると、電流密度
が変わっても比較的ビームの太さの変化が少なくなる。

【００５２】次に本発明の第３の実施例について説明す
る。テレビジョン受信機、ビデオ等画像処理装置の映像
信号回路は、入力信号と発光出力の間に所定のγ特性が
あることを考慮した信号体系に対応した特性を持ってい
る。電界放射冷陰極をデイスプレー装置に応用した場
合、入力信号電圧と出力電流の間には、前述のＦＮ（フ
ァウラ−ノルドハイム）の式（１）の関係があり、通常
のビデオ信号を増幅してゲート電圧として駆動しても所
定の出力は得られない。

【００５３】そこで、本発明の第３の実施例は、電流−
電圧特性が互いに異なる複数のブロック群を組み合わせ
て、通常のγ特性と互換のある入出力特曲線を実現した
ものである。

【００５４】通常のγ特性を考慮したビデオ信号を増幅
して、前記実施例で説明した電界放出冷陰極を備えたデ
イスプレイ装置に入力すると、所定の出力画像が得ら
れ、特性変換回路を使用することなく、従来より用いら
れている、信号処理回路、装置に接続することが可能に
なる。

【００５５】次に本発明の第４の実施例について説明す
る。ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレィ）に
使用される電界放射冷陰極は、パネル全面に渡って均一
な特性であることが要求される。アナログ駆動（入力電
圧で輝度をコントロール）の場合はもちろんであるが、
時分割（プラズマディスプレーで実用化されているよう
なサブフィールド法）で、デジタル駆動するような場合
にも、印加電圧に対する輝度(エミッション特性）は揃
ってないといけない。

【００５６】図８は、図１に示した特性１の電界放射冷
陰極の１エミッタあたりのエミッション特性が、ばらつ
いた場合の特性を示す図である。たとえばパネル内の画
素でこのような差が生じた場合に、ドライブは印加電圧
で制御するから、図８に示す特性で0.7μＡ／エミッタ
をねらっても、±0.1μＡのばらつきが生じる。

【００５７】図９は、図８と同じ特性のエミッタを、図
３の２３でしめす特性の抵抗ブロック上に１４４個作り
込んで形成した複数ブロックからなる電界放射冷陰極の
１エミッタあたりの電流−電圧特性である。

【００５８】この場合、0.7μＡ／エミッタをねらって
電圧を印加した場合の電流のばらつきは、図８に示した
ものと比較して、１割程度まで減少できることがわか
る。

【００５９】ディスプレィは大型化が進む方向で進化し
つつある。基板が大きくなると、電子源を形成しても特
性のばらつきが問題になる。このような場合に、電圧駆
動した場合の電流値のばらつきを、複雑な制御回路なし
で小さく抑えることが可能である。

【００６０】本発明の第５の実施例について説明する。
エミッタ特性と抵抗ブロックの電流制限特性を組み合わ
せることで、図１０の４１、４２、４３のような電流−
電圧特性のブロック群が得られる。図１１（ａ）は平面
図、図１１（ｂ）は断面構造を模式的に示す図であり、
抵抗ブロックは図示されていない。図１０の特性４１，
４２，４３のような電流−電圧特性をそれぞれ有するブ
ロック群を、図１１（ａ）の５１，５２，５３の領域に
相当するところに、ゲート電極１０２を共通として、ブ
ロック群を配置する。

【００６１】エミッタ１０１の上方のアノード電極１０
３には蛍光板を置く。ゲート電圧を上昇させると、図１
１の左の５１の領域のブロックからエミッション電流が
立ち上がるため、順に点灯を開始し、右の領域５２、５
３へと順に発光領域が広がっていく。

【００６２】図１２は、本発明の第５の実施例の電界放
出エミッタアレイの詳細構成の一例を説明するための断
面図である。図１２を参照すると、基板１０４上に設け
られ、先端部が先鋭な形状とされたエミッタ１０３と、
基板１０４上に絶縁層（不図示）を介して設けられエミ
ッタ１０３を囲繞するように設けられたゲート電極１０
２を備えた電界放射冷陰極において、所望の電流制限特
性をそれぞれ有し一面が基板表面に露出し前記基板１０
４内に設けられた複数の抵抗ブロック１０５、１０６、
１０７を、図１１（ａ）の５１、５２、５３の領域に対
してそれぞれ備えており、所望のエミッション電流−印
加電圧特性を持つ１又は複数のエミッタを各抵抗ブロッ
ク１０５、１０６、１０７表面上に配置してなるブロッ
クを備えている。これら複数のブロックは、エミッショ
ン電流−印加電圧特性においてエミッション電流の立ち
上がり特性と、各抵抗ブロックの電流制限特性が互いに
相違している。

【００６３】図１３は、本発明の第５の実施例の電界放
出エミッタアレイの別の構成を詳細に示す図である。図
１３を参照すると、基板１０４上に設けられ、先端部が
先鋭な形状とされたエミッタ１０３と、同一基板上に絶
縁層（不図示）を介して設けられエミッタを囲繞するよ
うに設けられたゲート電極１０２を備えた電界放射冷陰
極において、所望の電流制限特性をそれぞれ有し、１又
は複数のエミッタ毎に、これらの領域を囲むように基板
内に垂直に設けられ前記１又は複数のエミッタを分離す
るトレンチ１０８を複数備え、所望のエミッション電流
−印加電圧特性を持つ複数のエミッタよりなるブロック
を複数備えて構成されるブロック群を複数備えている。
図１３に示す例では、第１、第２、第３のブロック群１
０９、１１０、１１１において、ブロック（セル）のサ
イズ（トレンチで囲まれる領域の大きさ）が相違してお
り、ブロック群１０９では、トレンチは１つのエミッタ
を囲んでエミッタ毎に分離しており、ブロック群１１０
では、トレンチは２つのエミッタを囲んで、２エミッタ
毎に分離しており、ブロック群１０９では、トレンチは
３つのエミッタを囲んで３エミッタ毎に分離しており、
それぞれの領域で抵抗ブロックを形成している。前述し
たように、トレンチ１０８の深さ、トレンチ１０８に埋
設される層の不純物を可変させることでも、電流制限特
性を可変させることができる。

【００６４】このような構成とすることで、制御回路な
しに、印加電圧の変化だけで、発光領域、輝度を表示で
きるディスプレイが実現できる。なお、図１２、及び図
１３は図１１の構成を模式的に示したものであり、個々
のエミッタのゲート径、配置、個数および、電流制限機
構の構成は、前述のように、所望の特性を実現するよう
に設定すればよい。

【００６５】本発明の第６の実施例について説明する。
本発明の第６の実施例においては、エミッション特性
と、抵抗ブロックの電流制限特性とを組み合わせること
で、図１４に示すように、階段状の電流−電圧特性の電
界放射冷陰極が得ている。

【００６６】図１４に示す例の場合、３つのブロック群
から構成されており、印加電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３付近で
印加電圧に対してエミッション電流の変化が少ない領域
が現れる。このような電流−電圧特性を有する電界放出
エミッタアレイを用いてＦＥＤを構成した場合、個々の
エミッタおよび、画素間で特性がばらついていても、印
加電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３に設定することで、同じ入力
電圧値における画素間でのエミッション電流のばらつき
は少なくなり、安定した複数階調（図１４の例では３階
調）の表示が可能になる。

【００６７】また複数のブロック群について、その種
数、電流−電圧特性を適宜条件設定して組み合わせるこ
とにより、さらに階調数を増やすことも可能である。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。

【００６９】第１の効果として、従来法では、動作時
に、制御電極の電圧をコントロールして電流−電圧特性
を操作するのに対して、本発明によれば、素子の設計時
に特性を決定することができ、使用時には特性制御用の
電源は不要であり、印加電圧に応じて直線的な電流変化
が得られる、ということである。このため本発明を増幅
素子に適用した場合には、入力電圧波形に対して歪みの
少ない出力を得ることができる。

【００７０】本発明の第２効果として、電流が増えるほ
ど、エミッタエリア内部の電流密度が上がるような配置
とされており、高電流での電子同士の反発によるビーム
の広がりを考慮すると、電流密度が変わっても、比較的
ビームの太さの変化が少なくなる。

【００７１】本発明の第３の効果として、通常のγ特性
を考慮したビデオ信号を増幅して、本発明の電界放出冷
陰極を用いたディスプレイ装置に入力すると、所定の出
力画像が得られ、特性変換回路を用いることなく、従来
使われている信号処理回路、及び装置に接続することが
できる、ということである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明するための電流−電
圧特性を示す図であり、ゲート径を変えた特性を示す図
である。

【図２】本発明の実施の形態を説明するための電流−電
圧特性を示す図であり、抵抗ブロックのサイズを変えた
ときの特性を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態を説明するための電流−電
圧特性を示す図であり、抵抗ブロックの不純物濃度を変
えたときの特性を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態を説明するための電流−電
圧特性を示す図であり、抵抗ブロック上の３６、６４、
１００個のエミッタを配置した場合、及び比較例として
抵抗ブロックを設けない場合の特性を示す図である。

【図５】本発明の一実施例の電流−電圧特性を示す図で
ある。

【図６】本発明の一実施例におけるブロック配置を示す
平面図である。

【図７】本発明の第２の実施例におけるブロック配置を
示す平面図である。

【図８】本発明の第４の実施例を説明するための比較図
であり、エミッタ１つ当たりの特性ばらつきを示す図で
ある。

【図９】本発明の第４の実施例を説明するための図であ
る。

【図１０】本発明の第５の実施例を説明するための図で
ある。

【図１１】本発明の第５の実施例の構成を示す平面図と
断面図である。

【図１２】本発明の第５の実施例の詳細構成を示す断面
図である。

【図１３】本発明の第５の実施例の詳細構成を示す断面
図である。

【図１４】本発明の第６の実施例を説明するための電流
−電圧特性図である。

【図１５】従来の電界放出冷陰極を説明するための断面
図である。

【符号の説明】

１、２、１１〜１５、２１〜２３、３０〜３３、３５〜
３７特性１０１アノード（蛍光板）１０２ゲート電極１０３エミッタ１０４基板１０５〜１０７抵抗ブロック１０８トレンチ１０９〜１１１ブロック２０１エミッタ２０２ゲート電極２０３第２のゲート電極２０４基板２０５絶縁膜２０６絶縁膜２０７蛍光体２０８アノード電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加電圧に対するエミッション電流に制限
をかける電流制限手段の一端に対して１又は複数の電界
放射エミッタが並設され、陰極の動作電流領域の任意の
領域で電流制限が働くように設定されており、ゲート電
圧と前記電流制限手段の他端とを共通としてなるブロッ
クを１又は複数備えたことを特徴とする電界放射冷陰
極。
【請求項２】エミッション電流と印加電圧との間の電流
−電圧特性におけるエミッション特性の互いに異なる電
界放射エミッタと、エミッション電流の電流制限特性の
互いに異なる電流制限手段とを相互に組み合わせ、同一
のエミッタアレイエリア上に混在させて配設してなるこ
とを特徴とする電界放射冷陰極。
【請求項３】エミッション電流と印加電圧との間の電流
−電圧特性が、陰極の動作電流領域の任意の領域で直線
的とされている、ことを特徴とする請求項１又は２記載
の電界放射冷陰極。
【請求項４】エミッション電流と印加電圧との間の電流
−電圧特性が、陰極の動作電流領域の任意の領域で所定
のガンマ特性とされている、ことを特徴とする請求項１
又は２記載の電界放射冷陰極。
【請求項５】エミッション電流と印加電圧の間の電流−
電圧特性が、陰極の動作電流領域の任意の領域で階段状
とされている、ことを特徴とする請求項１又は２記載の
電界放射冷陰極。
【請求項６】請求項３乃至５のいずれか一に記載の電界
放射冷陰極を備え、前記電界放射冷陰極において、動作
電流領域の任意の領域で電流制限がかかり印加電圧に対
する電流変化が少ない領域を動作点とすることを特徴と
する画像表示装置。
【請求項７】請求項５記載の電界放射冷陰極を備え、エ
ミッション電流と印加電圧との間の階段状の電流−電圧
特性における段の部分を用いて階調表示をする、ことを
特徴とする画像表示装置。
【請求項８】印加電圧に対するエミッション電流に制限
をかける電流制限手段の一端に１又は複数の電界放射エ
ミッタが並列接続され、陰極の動作電流領域において電
流制限がはたらくように設定されており、ゲート電極へ
の電圧及び前記電流制限手段の他端を共通としてなるブ
ロックを複数有するブロック群を備え、互いに異なる複数種のエミッション電流−印加電圧特性
を有するブロック群が同一エミッタアレイエリア上に配
置されている、ことを特徴とする電界放射冷陰極。
【請求項９】前記ブロック群が、前記エミッタアレイエ
リア上に所定の幾何学形状に従って配置されていること
を特徴とする請求項８記載の電界放射冷陰極。
【請求項１０】エミッション電流が相対的に低い印加電
圧で立ち上がり電流制限値が相対的に小さい第１のブロ
ック群が主に前記エミッタアレイエリアの外周側に配置
されており、エミッション電流が前記第１のブロック群
よりも高電圧で立ち上がり電流制限値が前記第１のブロ
ック群よりも高い第２のブロック群が主に前記エミッタ
アレイエリアの内側に配置されている、ことを特徴とす
る請求項８記載の電界放射冷陰極。
【請求項１１】前記電流制限手段が、基板に設けられ前
記エミッタがその上に搭載される抵抗ブロックを含む、
ことを特徴とする請求項１、２、８のいずれか一に記載
の電界放射冷陰極。
【請求項１２】前記電流制限手段が、トレンチ分離型縦
抵抗よりなる電流制限用の抵抗ブロックを含む、ことを
特徴とする請求項１、２、８のいずれか一に記載の電界
放射冷陰極。
【請求項１３】前記電流制限手段において、電流制限特
性が、前記抵抗ブロックのサイズを変えることで可変制
御されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の
電界放射冷陰極。
【請求項１４】前記電流制限手段において、電流制限特
性が、前記トレンチの深さを変えることで可変制御され
ることを特徴とする請求項１２記載の電界放射冷陰極。
【請求項１５】前記電流制限手段において、電流制限特
性が、前記抵抗ブロックの不純物濃度を変えることで可
変制御されることを特徴とする請求項１１又は１２記載
の電界放射冷陰極。
【請求項１６】前記電子放出特性が、ゲート径を変える
ことで可変制御されることを特徴とする１、２、８のい
ずれか一に記載の電界放射冷陰極。
【請求項１７】前記電子放出特性が、前記エミッタの高
さを変えることで可変制御されることを特徴とする１、
２、８のいずれか一に記載の電界放射冷陰極。
【請求項１８】前記電子放出特性が、前記エミッタ材料
を変えることで可変制御されることを特徴とする１、
２、８のいずれか一に記載の電界放射冷陰極。
【請求項１９】エミッション電流が相対的に低い印加電
圧で立ち上がり前記エミッション電流の電流制限値が相
対的に小さい第１のブロック群と、エミッション電流が
前記第１のブロック群よりも高電圧で立ち上がりその電
流制限値が前記第１のブロック群よりも高い第２のブロ
ック群とを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の
電界放射冷陰極。
【請求項２０】基板上に設けられ先端部が先鋭な形状と
されたエミッタと、前記基板上に絶縁層を介して設けら
れ１又は複数の前記エミッタを囲繞するように設けられ
たゲート電極とを含む電界放射冷陰極であって、前記基板内に設けられた電流制限手段に対して１又は複
数のエミッタが配置されてなるブロックよりなり、エミ
ッション電流と印加電圧との間の特性において、エミッ
ション電流が相対的に低い印加電圧で立ち上がり前記エ
ミッション電流の電流制限値が相対的に小さい第１のブ
ロック群と、エミッション電流が前記第１のブロック群
よりも高い印加電圧で立ち上がり前記エミッション電流
の電流制限値が前記第１のブロック群よりも高く設定さ
れている第２のブロック群と、を少なくとも含む、こと
を特徴とする電界放射冷陰極。
【請求項２１】基板上に設けられ先端部が先鋭な形状と
されたエミッタと、前記基板上に絶縁層を介して設けら
れ１又は複数の前記エミッタを囲繞するように設けられ
たゲート電極とを含む電界放射冷陰極であって、前記基板内に設けられ、印加電圧に対するエミッション
電流に、それぞれ所定の電流制限特性をもって電流制限
を行うための抵抗ブロックを複数備え、一ブロックあたり、所定のエミッション電流−印加電圧
特性を持つ１又は複数のエミッタを、前記一の抵抗ブロ
ック上に配置してなるブロックを複数有してなるブロッ
ク群を１又は複数備え、エミッション電流の立ち上がり特性と電流制限特性とが
互いに相違しているブロック群のエミッション電流−印
加電圧特性が合成されて、所望のエミッション電流−印
加電圧特性を得るようにしたことを特徴とする電界放射
冷陰極。
【請求項２２】前記抵抗ブロックのサイズ、及び／又は
前記抵抗ブロックの不純物濃度を可変させることによ
り、前記ブロックの電流制限特性を可変させ、前記エミッタサイズ、エミッタ材料、ゲート電極の高
さ、ゲート径、１ブロックあたりのエミッタの個数の要
素のうちのいずれか一つの要素、もしくはこれらのうち
の複数の要素を可変させることで、前記ブロック群のう
ちの複数のブロック間で、エミッション電流−印加電圧
特性におけるエミッション電流の立ち上がり特性を可変
させることで、前記ブロックにおける、エミッション電
流の立ち上がり特性と電流制限特性とを可変させる、こ
とを特徴とする請求項２１記載の電界放射冷陰極。
【請求項２３】基板上に設けられ先端部が先鋭な形状と
されたエミッタと、前記基板上に絶縁層を介して設けら
れ１又は複数の前記エミッタを囲繞するように設けられ
たゲート電極を備えた電界放射冷陰極において、所定の電流制限特性をそれぞれ有し１又は複数のエミッ
タ毎のこれらの領域を囲むように前記基板内に設けられ
前記１又は複数のエミッタを分離するトレンチを複数備
え、前記トレンチで囲まれた領域は抵抗ブロックをな
し、前記１又は複数のエミッタは、所定のエミッション電流
−印加電圧特性を有し、前記トレンチで囲まれた１又は複数のエミッタよりなる
ブロックを複数有してなるブロック群を１又は複数備
え、エミッション電流と印加電圧との間の電流−電圧特性に
おいてエミッション電流の立ち上がり特性と電流制限特
性とが互いに相違しているブロック群のエミッション電
流−印加電圧特性が合成されて、所望のエミッション電
流−印加電圧特性を得るようにしたことを特徴とする電
界放射冷陰極。
【請求項２４】前記トレンチの深さ、前記トレンチ内の
埋設層の不純物濃度、前記トレンチが囲むブロックのサ
イズの要素のうちのいずれか一つの要素、もしくはこれ
らのうち複数の要素を可変させることにより、前記ブロ
ックにおける電流制限特性を可変させ、前記エミッタのサイズ、エミッタ材料、ゲート電極の高
さ、及びゲート径、一ブロックあたりのエミッタの数の
要素のうちのいずれか一つの要素、もしくはこれらのう
ち複数の要素を可変させることで前記ブロック群におけ
るエミッション電流の立ち上がり特性を可変させること
で、前記ブロックにおける、エミッション電流−印加電
圧特性のエミッション電流の立ち上がり特性と電流制限
特性とを可変させる、ことを特徴とする請求項２３記載
の電界放射冷陰極。