JP2507887B2 - 電子増幅素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は電子増幅素子に関し、さらに詳しくは絶縁体
の伝導帯を電子が通過することにより、超高速にてトラ
ンジスタ作用を行うことのできる電子増幅素子に関する
ものである。

（従来技術） 従来の電子増幅素子としては一般に半導体材料にて構
成されたトランジスタが知られている。

（発明が解決しようとする課題） 前記公知の半導体トランジスタは、ミリ波程度以上の
超高速に対しては応答しないなどの問題がある。

現在、通信・情報処理システムの高速化が必要とされ
ている。このための主たる方法のひとつは、用いる基本
デバイスを高速化することである。デバイスを超高速応
答させるためには、デバイス内部での電子の走行距離を
短くし、走行時間を少なくしてやる必要がある。このた
めには、デバイス内の電子走行させる領域において、不
純物など電子と衝突する原因となるものを排除し、電子
をできる限り散乱させないで通過させることが必要であ
る。

従来の半導体デバイスでは、極薄膜構造により不純物
の影響を小さくしたり、走行領域を小さくするなどの方
法がとられてきた。また他の方法としては、走行領域を
真空にしてしまう方法があり、これは直接的である。し
かしながら、この方法ではデバイス内に真空領域をつく
らなければならず、構造が機械的に不安定になってしま
うという欠点がある。

また、半導体をデバイスの電極部分に用いると、導電
率が比較的小さいためにデバイスに寄生抵抗が生じ、こ
れがデバイスの高速応答を妨げると言う問題があった。

本発明者は、これらの課題を解決する方法として、真
空領域のかわりに絶縁体を用い、次に、この絶縁体内に
導電率の大きな金属電極を挿入することによって、絶縁
体内を通過する電子の運動を制御する方法を発明し提案
してきた。この視点に基づいて、金属と絶縁体の極薄膜
超格子を用いた電子共鳴三端子素子などを提案した。し
かしながらこれまで提案してきたデバイスは、数分子層
の超薄膜の形成が必要であり、この超薄膜の形成に技術
的困難が伴うおそれがある。

（課題が解決するための手段） そこで、今回本発明者は、この欠点を持たない素子と
して、真空管と同様の空間電荷制御電流により動作す
る、高速応答可能な金属・絶縁体電子デバイスを発明し
た。

本発明は前記公知技術の問題点に鑑み、高速応答が可
能である電子増幅素子を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明にかかる電子増幅素
子は金属と絶縁体の２種の材料の組合せ体からなり、絶
縁体材料中に電子放出電極とカソードの金属電極を挿入
することにより電子を絶縁体中に放出し、絶縁体の伝導
帯を電子の通過領域として用いて動作するよう構成した
ことを特徴とする電子増幅素子である。

本発明において、上述の課題を解決する手段は次の通
りである。

1.絶縁体材料中に、電子放出電極、カソード、グリッ
ド、プレートの４つの金属電極を挿入し、カソード−グ
リッド間の空間制限電荷領域を用いて動作するよう構成
したことを特徴とする電子増幅素子。

2.絶縁体材料中に、電子放出電極、カソード、２つ以上
のグリッド、プレートの金属電極を挿入し、カソード−
第一グリッド間の空間制限電荷領域を用いて動作するよ
う構成したことを特徴とする電子増幅素子。

3.絶縁体材料中に、電子放出電極、カソード、速度変調
用入力グリッド対、出力用グリッド対、コレクタの金属
電極を挿入し、入力グリッドにより電子の速度変調を用
いて動作するよう構成したことを特徴とする電子増幅素
子。

4.絶縁体材料中に、電子放出電極、カソード、遅延導波
路、コレクタの金属電極を挿入し、電子のエネルギーと
電磁波のエネルギーの結合を用いて動作するよう構成し
たことを特徴とする電子増幅素子。

5.上記電子増幅素子以外で、絶縁体材料中に挿入した金
属電極によりなる電子放出機構により電子を絶縁体中に
放出し、絶縁体中の伝導帯を電子の走行領域とするよう
構成したことを特徴とする電子増幅素子。

（作用） 本発明にかかる電子増幅素子によれば、金属をこの素
子の電極部分に用いることにより、導電率が大きいため
に素子に寄生抵抗が生じにくく、これによる素子の応答
速度の低下を防ぐことができる。

さらに絶縁体を用いることにより素子内の走行空間を
半導体より真空に近い状態にでき、電子の散乱をなくす
ことができる、かつ素子内に真空領域を作る場合に比べ
て構造の機械的な不安定性を避けることが可能である。

（実施例） 以下本発明の係る電子増幅素子を図面を参照して説明
する。

本発明の電子増幅素子の基本的構成は第１図に示すよ
うに絶縁体材料１中に電子放出電極２とカソードの金属
電極３を挿入し、カソード３に対して電子放出電極２に
負の電圧を加えることにより、電子放出電極２からカソ
ード３の方向へ電子を放出し、カソード３を通過させて
絶縁体１の伝導帯に放射する機構を得ることができる。

本発明に係る電子増幅素子は第２図に示す如く、前記
の金属製電子放出電極２と金属製カソード３とよりなる
電子放出機構９の放出方向に金属よりなるプレート電極
５と、それらの中間に金属薄膜よりなるグリッド電極４
を設けたものである。

前述のようにして得られた構造に対して同じく第２図
の電源回路に示す如く、電圧をカソード電極３を基準に
して加える。6,7,8はその電圧源である。その結果、カ
ソード−グリッド間において空間電荷制限領域10が生じ
て、グリッド間電圧によりプレート電流を制御すること
が可能になる。

素子中のハンド図は第３図に示すようになる。９は電
子放出機構、10は空間電荷制限領域を示す。

正のグリッド電圧をカソード・グリッド間に加えると
チャイルド−ラングミュアの法則によりカソード−グリ
ッド間に電流が流れる。カソード−グリッド間電流はグ
リッド電極にある程度流れ込むが、大部分が通過するこ
とができ、それがプレート電流になる。その結果、本発
明に係る電子増幅素子は従来の３極真空管に類似した特
性を有することになる。

第４図は本発明において、２個以上のグリッドを有す
る従来の多極真空管に類似した電子増幅素子の概念図で
ある。第４図において、２は電子放出電極、３はカソー
ド、4a---4nはマルチグリッド、５はプレートを示す。
6,7A---7n,8はその電源を示す。

本発明に係る電子増幅素子の他の実施例は第５図に示
す如く、第１図における電子放出機構９の放出方向に金
属よりなるコレクタ電極11と、それらの中間に金属薄膜
よりなる２対の入力グリッド電極4A−1,4A−２及び出力
グリッド電極4B−1,4B−２を設けたものである。グリッ
ド電極電子放出機構９から近い順に入力グリッド4A−
１、入力グリッド4A−２、出力グリッド4B−１、出力グ
リッド4B−２という名称をつける。電圧の基準をカソー
ド３にとる。

入力グリッド4A−１の電圧V1により電子放出機構９か
ら放出された電子を加速する。引続き入力グリッド4A−
１、及び同4A−２の間の入力電圧V2によりこの電子の速
度の変調を行う。速度変調を受けた電子は出力グリッド
対の方向に伝搬する間に集群作用によって密度変調流に
なる。

密度変調された電子流により、出力グリッド対4B−1,
4B−２に誘導電流が生じ、出力端子13に出力が得られ
る。出力グリッド対4B−1,4B−２を通過した電子はコレ
クタ11にて回収される。

その結果、本発明にかかる電子増幅素子は、従来の真
空管に置けるクライストロンに類似した構造及び特性を
有している。

本発明に係る電子増幅素子の他の実施例は第６図に示
す如く、第１図における電子放出機構９の放出方向に金
属よりなるコレクタ電極11と、それらの中間に電磁波の
位相速度を遅くする遅延回路15を設けたものである。

遅延回路15中において電磁波の速度より電子放出機構
から放出された電子流の速度をわずかに大きくすること
により、電子流束のエネルギーを電磁波に与え、電磁波
の増幅が行われる。電子流と電磁波の相互作用が終了し
た電子流はコレクタ11によって回収される。

その結果、本発明に係る電子増幅素子は、従来の真空
管に置ける進行波管に類似した構造及び特性を有してい
る。

本発明の電子増幅素子は第１図に示した電子放出機構
を用いることにより絶縁体中の伝導帯に電子を放出する
ことが可能になる。これを用いることにより従来の真空
管の真空を絶縁体に置き換えた真空管型電子増幅素子を
形成することが可能になる。

（発明の効果） 以上説明した如く本発明にかかる電子増幅素子によれ
ば、金属をこの素子の電極部分に用いることにより、導
電率が大きいために素子を寄生抵抗が生じ難く出来、こ
れによる電子の応答速度の低下を防ぐことができる。

さらに本発明の電子増幅素子では絶縁体を用いること
により素子内の走行空間を半導体より真空に近い状態に
でき、電子の散乱をなくすことができる、かつ素子内に
真空領域を作る場合に比べて構造の機械的な不安定性を
避けることが可能である。

よって本発明の電子増幅素子は従来の半導体に比して
極めて優れた利点を有し工業上有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子放出機構の模式図、 第２図は本発明に係る電子増幅素子の構成図、 第３図は同バンド図、 第４図は本発明に係る電子増幅素子の構造図、 第５図は本発明に係る電子増幅素子の構造図、 第６図は本発明に係る電子増幅素子の構造図を示す。 １…絶縁体、２…金属製電子放出電極 ３…金属製カソード、４…グリッド ５…プレート、6,7,8…電源 ９…電子放出機構、10…空間電荷制限領域 11…コレクタ、12…コレクタ電源 13…出力端子、14…遅延回路の入力端子 15…低速波遅延回路、16…遅延回路の出力端子

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁体材料中に、電子放出電極、カソー
   ド、グリッド、プレートの４つの金属電極を挿入し、カ
   ソード−グリッド間の空間制限電荷領域を用いて動作す
   るよう構成したことを特徴とする電子増幅素子。
2. 【請求項２】絶縁体材料中に、電子放出電極、カソー
   ド、２つ以上のグリッド、プレートの金属電極を挿入
   し、カソード−第一グリッド間の空間制限電荷領域を用
   いて動作するよう構成したことを特徴とする電子増幅素
   子。
3. 【請求項３】絶縁体材料中に、電子放出電極、カソー
   ド、速度変調用入力グリッド対、出力用グリッド対、コ
   レクタの金属電極を挿入し、入力グリッドにより電子の
   速度変調を用いて動作するよう構成したことを特徴とす
   る電子増幅素子。
4. 【請求項４】絶縁体材料中に、電子放出電極、カソー
   ド、遅延導波路、コレクタの金属電極を挿入し、電子の
   エネルギーと電磁波のエネルギーの結合を用いて動作す
   るよう構成したことを特徴とする電子増幅素子。
5. 【請求項５】上記電子増幅素子以外で、絶縁体材料中に
   挿入した金属電極よりなる電子放出機構により電子を絶
   縁体中に放出し、絶縁体中の伝導帯を電子の走行領域と
   するよう構成したことを特徴とする電子増幅素子。