JP3010304B2 - Vacuum tube - Google Patents

Vacuum tube

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電子源より放出された電子の流れを制御する
ことで、増幅、発振作用を持つ真空管に関するものであ
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a vacuum tube having an amplifying and oscillating action by controlling a flow of electrons emitted from an electron source.

[従来の技術] 従来平面基板上に平面状に構成されている真空管とし
ては、電子源(以下カソード)と電子の流れを制御する
電極(以下ゲート)と電子を集める電極(以下コレク
タ)がそれぞれ単層で独立に同一基板上に構成されてい
る三極真空管が知られている(米国特許第4827177号明
細書)。また多数の電子放出源を同一基板上に有する構
成においては、カソード、ゲート、コレクタが直線状に
ほぼ同一の厚さで互いに平行になるように配置されてい
た。
[Prior Art] Conventionally, as a vacuum tube formed in a planar shape on a flat substrate, an electron source (hereinafter, a cathode), an electrode for controlling the flow of electrons (hereinafter, a gate), and an electrode for collecting electrons (hereinafter, a collector) are respectively provided. There is known a triode vacuum tube having a single layer and independently formed on the same substrate (US Pat. No. 4,827,177). In a configuration having a large number of electron emission sources on the same substrate, the cathode, the gate, and the collector are arranged linearly so as to be parallel to each other with substantially the same thickness.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら上記従来例では、ゲート及びコレクタの
配置がカソードより放出された電子の発散を考慮してな
されていないため、カソードより放出された電子の一部
だけがゲートによって制御され、真空管の特性の一つで
ある相互コンダクタンスが小さく良好な増幅及び発振作
用が得られにくかった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned conventional example, since the arrangement of the gate and the collector is not made in consideration of the divergence of the electrons emitted from the cathode, only a part of the electrons emitted from the cathode is gated. And the transconductance, which is one of the characteristics of the vacuum tube, is small, and it is difficult to obtain good amplification and oscillation.

また、カソード、ゲート、コレクタを直線状に配置し
たため、多数のカソードを用いる構成では一つの能動素
子領域が縦長になるため、基板上に集積化する際にレイ
アウト上の制約や結線上の制約が生じるという問題があ
った。
In addition, since the cathode, gate, and collector are arranged linearly, one active element region becomes vertically long in a configuration using a large number of cathodes, so there are restrictions on layout and wiring when integrating on a substrate. There was a problem that would occur.

[課題を解決するための手段及び作用] 本発明の真空管によれば同一基板上のコレクタ、カソ
ード、ゲートの配置においてコレクタを中心としてその
周囲にゲートを設け、このゲートの周囲にカソードを構
成し、さらにコレクタ、ゲート、カソードが順に層構成
となるように絶縁層で隔てられるように構成することに
より、電子が外周から内側に向かって放出され、中心部
のコレクタで集められるようにしたものである。
According to the vacuum tube of the present invention, in the arrangement of the collector, the cathode and the gate on the same substrate, a gate is provided around the collector and the cathode is formed around the gate. In addition, the collector, gate, and cathode are sequentially separated by an insulating layer so as to form a layer structure, so that electrons are emitted inward from the outer periphery and are collected by the collector in the center. is there.

以下、一例として本発明の真空管の動作を第5図を用
いて説明する。第5図では、カソードとして電界により
電子が放出するように加工された鋭角形状電極4a(以
下、ティップという)とティップ4に電界をかけるため
の引き出し電極3を用いた1つの電界放出電子源を用い
ている。引き出し電極3とティップ4aの間に高い電圧8
をかけることにより、ティップ4の先端の鋭い場所より
電子が放出される。この時の電界と放出電流の関係はフ
ァウラーノルドハイムの式に従って放出される。電子の
電流密度はティップ4aの先端の曲率半径が小さければ小
さいほど高く、引き出し電極3とティップ4aの間の距離
を近づけることによっても電子の放出電流密度が高くな
る。ティップ4aの先端より放出された電子はある立体角
を持って発散するが、例えば第7図に示すように引き出
し電極3をティップ4aよりも低い場所に形成すること
で、放出される電子のベクトルをほぼすべて基板に対し
て垂直下向きにすることが出来る。さらに、カソード及
びゲート電極2とコレクタ電極1も異なる高さになるよ
うに異なる面上に形成することで、カソードより放出さ
れた電子が確実にゲート電極2上部を通過しコレクタ電
極1に集められるようにした。これによりコレクタ電極
1に集められる電子の数が増大するだけでなくゲート電
極2により制御される電子の数が増えたための相互コン
ダクタンスが大きくなり、増幅、発振作用が向上した。
Hereinafter, the operation of the vacuum tube of the present invention will be described as an example with reference to FIG. In FIG. 5, one field emission electron source using an acute electrode 4a (hereinafter referred to as a tip) processed so that electrons are emitted by an electric field as a cathode and an extraction electrode 3 for applying an electric field to the tip 4 is shown. Used. High voltage 8 between the extraction electrode 3 and the tip 4a
, Electrons are emitted from a sharp point at the tip of the tip 4. At this time, the relationship between the electric field and the emission current is emitted according to Fowler-Nordheim equation. The current density of electrons is higher as the radius of curvature of the tip of the tip 4a is smaller, and the emission current density of electrons is also increased by reducing the distance between the extraction electrode 3 and the tip 4a. The electrons emitted from the tip of the tip 4a diverge with a certain solid angle. For example, when the extraction electrode 3 is formed at a position lower than the tip 4a as shown in FIG. Can be directed almost vertically downward to the substrate. Further, by forming the cathode and the gate electrode 2 and the collector electrode 1 on different surfaces so as to have different heights, the electrons emitted from the cathode surely pass over the gate electrode 2 and are collected on the collector electrode 1. I did it. As a result, not only the number of electrons collected by the collector electrode 1 but also the number of electrons controlled by the gate electrode 2 increased, thereby increasing the transconductance and improving the amplifying and oscillating effects.

またコレクタ電極1を中心としてゲート電極2及びカ
ソード電極(3と4)をコレクタ電極の周囲に配置する
ことで、集積化に適する大きさに能動素子を形成するこ
とが出来るため、配線や素子の配置において自由度の大
きいものとなった。これにより浮遊の容量成分を減らす
ことが出来たので、より高速なスイッチングを行なうこ
とが可能となった。
By arranging the gate electrode 2 and the cathode electrode (3 and 4) around the collector electrode 1 around the collector electrode, an active element having a size suitable for integration can be formed. It has a large degree of freedom in arrangement. As a result, the floating capacitance component can be reduced, so that higher-speed switching can be performed.

[実施例] 第1図は本発明の特徴を最もよく表わす図面であり、
同図に於て1はコレクタ電極、2はゲート電極、3は引
き出し電極、4は電子放出電極、5は絶縁性の基板であ
り、第1図のA−Aにおける断面は第2図に示されてお
り、真空管として動作させる場合の電源の結線は第5図
に示すものと同じである。
FIG. 1 is a drawing that best illustrates the features of the present invention.
In FIG. 1, 1 is a collector electrode, 2 is a gate electrode, 3 is an extraction electrode, 4 is an electron emission electrode, 5 is an insulating substrate, and a cross section taken along line AA of FIG. 1 is shown in FIG. The connection of the power supply when operating as a vacuum tube is the same as that shown in FIG.

本実施例の真空管は石英による絶縁基板5上にNi(ニ
ッケル)を2000Å蒸着し、ホトリソグラフィー技術を用
いてパターンを形成した後、硝酸セリウム系のエッチン
グ液を用いて余分なNiを除去しコレクタ電極1を形成し
た。次にSiO2による絶縁層6−1をスパッタを用いて蒸
着し5000Åの厚さにした。次にSiN(チッ化シリコン)
膜7−1を熱CVD1000Åでたい積した後にホトリソグラ
フィー技術を用いてSiN膜にパターンを形成し、CF4を用
いてドライエッチングを行うことでゲート電極2のため
のドーナツ形状の穴を形成し、同じレジストを用いて、
Niを蒸着することでセルフアラインにゲート電極2を形
成した。このゲート電極2を作るための行程をくり返し
て引き出し電極3、及び電子放出電極4を形成した。電
子放出電極4にはW(タングステン)を用いて電子線リ
ソグラフィー技術を用いてティップ先端の曲率半径が0.
1μmになるように電子線レジストを用いて描画しCF4
エッチングし、微細な電子放出電極4を形成した。次に
引き出し電極3の内径とほぼ同一の大きさのパターンを
ホトリソグラフィー技術を用いて形成し、SiO2とSiNの
フッ酸系ウェットエッチング液とCF4のドライエッチン
グのエッチングレシオを用いて順にエッチングすること
でコレクタ電極1上部のSiO2及びSiN層を取り除き、第
1図に示す真空管を形成した。
In the vacuum tube of this embodiment, Ni (nickel) is vapor-deposited on the insulating substrate 5 made of quartz at a thickness of 2000 mm, and a pattern is formed by using a photolithography technique. Electrode 1 was formed. Next, an insulating layer 6-1 of SiO 2 was deposited by sputtering to have a thickness of 5000 °. Next, SiN (silicon nitride)
After depositing the film 7-1 by thermal CVD at 1000 ° C., a pattern is formed on the SiN film using photolithography technology, and dry etching is performed using CF 4 to form a donut-shaped hole for the gate electrode 2. Using the same resist,
The gate electrode 2 was formed in a self-aligned manner by depositing Ni. The process for forming the gate electrode 2 was repeated to form the extraction electrode 3 and the electron emission electrode 4. The electron emission electrode 4 is made of W (tungsten) and has a tip with a radius of curvature of 0.
So as to 1μm drawn using an electron beam resist was etched with CF 4, to form a fine electron emission electrode 4. Next, a pattern having substantially the same size as the inner diameter of the extraction electrode 3 is formed using photolithography technology, and etched sequentially using a hydrofluoric acid-based wet etching solution of SiO 2 and SiN and an etching ratio of dry etching of CF 4. By doing so, the SiO 2 and SiN layers on the collector electrode 1 were removed, and the vacuum tube shown in FIG. 1 was formed.

なお、コレクタ電極1、ゲート電極2、引き出し電極
3としてNiを用い、電子放出電極4としてWを用いた
が、本素子の構成においては、これらの材料だけに限定
されるものではなく、また絶縁層もSiO2やSiNの材料に
限定されるものではない。
Note that Ni was used for the collector electrode 1, the gate electrode 2, and the extraction electrode 3, and W was used for the electron emission electrode 4. However, the structure of the present device is not limited to only these materials. The layers are not limited to the material of SiO 2 or SiN.

次に本素子の動作について説明する。本素子を10-6Pa
以下の真空にて電子放出電極4と引き出し電極3との間
にバイアスをかけ、引き出し電極3を正電位とする電界
放出の原理に基き電子放出電極4の先端部より電子が放
出される。この時、放出された電子の全てが一つの方向
に揃って放出されるわけではなく、ある程度の広がりを
もって放出される。
Next, the operation of this element will be described. This element is 10 -6 Pa
A bias is applied between the electron emission electrode 4 and the extraction electrode 3 in the following vacuum, and electrons are emitted from the tip of the electron emission electrode 4 based on the principle of field emission in which the extraction electrode 3 has a positive potential. At this time, not all the emitted electrons are emitted in one direction, but are emitted with a certain extent.

この広がりによる真空管特性の悪化を防ぐために、引
き出し電極3を電子放出電極4の水平方向よりやや下に
設置することで放出された電子のほとんどがゲート電極
2及びコレクタ電極1へと導かれる。電子がゲート電極
2を通過する際にゲートにかかる電位を正にすると電子
は加速されてコレクタ電極1に到達し、負電位とすると
減速されてコレクタ電極1に達する電子の数が減少する
ことを利用して増幅、発振作用を確実に行なえるように
なった。本実施例では電子源として電界放出型の電子源
を複数個用いることで、電子放出電流が安定でかつ比較
的容易なプロセスで真空管を構成することが可能となっ
た。
In order to prevent the vacuum tube characteristics from deteriorating due to the spread, most of the emitted electrons are guided to the gate electrode 2 and the collector electrode 1 by disposing the extraction electrode 3 slightly below the horizontal direction of the electron emission electrode 4. When the potential applied to the gate when the electrons pass through the gate electrode 2 is made positive, the electrons are accelerated and reach the collector electrode 1, and when the potential is made negative, the electrons are decelerated and the number of electrons reaching the collector electrode 1 is reduced. Utilizing it, the amplification and the oscillating action can be performed reliably. In this embodiment, by using a plurality of field emission type electron sources as the electron sources, it is possible to form the vacuum tube by a process in which the electron emission current is stable and relatively easy.

第3図、第4図は本発明の第2の実施例を示したもの
である。
FIG. 3 and FIG. 4 show a second embodiment of the present invention.

第3図は製造途中段階における真空管の断面を示し、
第4図は製造最終段階における真空管の断面を示してい
る。
FIG. 3 shows a cross section of the vacuum tube in the middle of manufacturing.
FIG. 4 shows a cross section of the vacuum tube at the final stage of production.

本実施例における第3図ではコレクタ電極1、ゲート
電極2、引き出し電極3、及び電子放出電極4を前述の
ホトリソ技術及びエッチング技術を用いて形成し、SiO2
による層間絶縁だけを用いて順に推積したものである。
それぞれの材料は第1の実施例と同じである。次に電子
放出電極4を第1の実施例と同様の方法で形成した後に
コレクタ電極1の外径と同程度のマスクを用いて、コレ
クタ電極1上部が開口されるようにレジストを形成し、
電極層2,3及び絶縁層6−1,6−2,6−3をウェットエッ
チングにて除去し、最終的に第4図に示されるような断
面図を持つ真空管を形成した。本実施例の真空管によれ
ば、製造の行程を大幅に減少でき、コストダウンが可能
となった。
A collector electrode 1 in FIG. 3 in the present embodiment, the gate electrode 2, the lead-out electrodes 3, and the electron emission electrode 4 is formed by using a photolithography technique and the etching technique described above, SiO 2
Are sequentially obtained by using only the interlayer insulation of FIG.
Each material is the same as in the first embodiment. Next, after forming the electron emission electrode 4 in the same manner as in the first embodiment, a resist is formed using a mask having a diameter substantially equal to the outer diameter of the collector electrode 1 so that the upper part of the collector electrode 1 is opened.
The electrode layers 2 and 3 and the insulating layers 6-1, 6-1 and 6-3 were removed by wet etching, and finally a vacuum tube having a sectional view as shown in FIG. 4 was formed. According to the vacuum tube of the present embodiment, the manufacturing process can be greatly reduced, and the cost can be reduced.

[発明の効果] 以上説明したように、電子が基板に対して平行に出る
ような電子源を用いて真空管を形成する時に、電子の放
出される方向が、完全に基板に対して平行にならないよ
うに、引き出し電極、ゲート電極、コレクタ電極の高さ
を変えることで効率良く放出された電子を利用し、電子
管としての特性を向上させる効果がある。特に三極真空
管の構成においては相互コンダクタンスの向上がある。
[Effect of the Invention] As described above, when a vacuum tube is formed using an electron source that emits electrons in parallel to the substrate, the direction in which electrons are emitted is not completely parallel to the substrate. As described above, by changing the heights of the extraction electrode, the gate electrode, and the collector electrode, electrons emitted efficiently are used, and the effect as an electron tube is improved. Particularly in the configuration of a triode vacuum tube, there is an improvement in the mutual conductance.

また素子全体を円形に配置することにより、集積基板
において、レイアウト上の自由度が大きくなり、これに
より配線の抵抗、浮遊容量等を減らしてより高速な動作
が可能となる。
In addition, by arranging the whole element in a circular shape, the degree of freedom in layout is increased in the integrated substrate, whereby the resistance of the wiring, the stray capacitance, and the like are reduced, and higher-speed operation becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例である真空管の上面図、
第2図は第1図におけるA−A断面図、第3,4図は第2
の実施例である真空管の工程中の断面図、第5図は電源
の配置及び動作原理を示す図である。 1……コレクタ電極、2……ゲート電極、 3……引き出し電極、4……電子放出電極、 4aティップ、5……絶縁基板、 6−1,6−2,6−3,6−4,7−1,7−2,7−3……絶縁層、 8,9,10……電源。
FIG. 1 is a top view of a vacuum tube according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a vacuum tube during the process of the embodiment, and FIG. 1 ... collector electrode, 2 ... gate electrode, 3 ... lead-out electrode, 4 ... electron emission electrode, 4a tip, 5 ... insulating substrate, 6-1,6-2,6-3,6-4, 7-1, 7-2, 7-3 ... insulating layer, 8, 9, 10 ... power supply.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−10428(JP,A) 特開 昭63−187535(JP,A) 特開 平1−300558(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 19/24 H01J 21/06 H01J 1/30 Continuation of front page (56) References JP-A-63-10428 (JP, A) JP-A-63-187535 (JP, A) JP-A-1-300558 (JP, A) (58) Fields studied (Int .Cl. 7 , DB name) H01J 19/24 H01J 21/06 H01J 1/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】同一基板上に、電子を受けとめる電極、少
なくとも1つの電子の流れを制御する電極、少なくとも
1つの電子を放出する電子源が、この順に絶縁層によっ
て隔てられて層状に構成されており、かつ、電子を受け
とめる電極の周囲に電子の流れを制御する電極が配置さ
れ、電子の流れを制御する電極の周囲に電子を放出する
電子源が配置されていることを特徴とする真空管。
An electrode for receiving electrons, at least one electrode for controlling the flow of electrons, and an electron source for emitting at least one electron are formed in layers in this order on an identical substrate, separated by an insulating layer. A vacuum tube, wherein an electrode for controlling the flow of electrons is arranged around an electrode for receiving electrons, and an electron source for emitting electrons is arranged around the electrode for controlling the flow of electrons.
【請求項2】電子を放出する電子源、電子の流れを制御
する電極及び電子を受けとめる電極が同心円状に配置さ
れている特許請求の範囲第1項記載の真空管。
2. The vacuum tube according to claim 1, wherein an electron source for emitting electrons, an electrode for controlling the flow of electrons, and an electrode for receiving electrons are arranged concentrically.
【請求項3】電子を放出する電子源が鋭角形状電極と引
き出し電極によって構成され、かつ、鋭角形状電極と引
き出し電極が異なる平面上に構成されていることを特徴
とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の真空管。
3. An electron source which emits electrons is constituted by an acute angle electrode and an extraction electrode, and the acute angle electrode and the extraction electrode are arranged on different planes. Item 3. The vacuum tube according to Item 2 or 2.
【請求項4】最外周に電子を放出する電子源が構成され
ている特許請求の範囲第1項又は第2項記載の真空管。
4. The vacuum tube according to claim 1, wherein an electron source for emitting electrons is formed at the outermost periphery.
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