JP3056558B2 - ガス放電管およびその駆動方法 - Google Patents
ガス放電管およびその駆動方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、陰極にトンネル効果型
の電子放出素子を用いたガス放電管およびその陰極の製
造方法に関するものである。
の電子放出素子を用いたガス放電管およびその陰極の製
造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特公昭４３−３０４１号公報等に開示さ
れている従来のトンネル効果型電子放出素子は主として
真空管用のもので、図９に示すようなサンドイッチ構造
になっている。すなわち、ガラス基板１の表面上に金属
ベース膜２、膜厚約１００Åの誘電体薄膜３および膜厚
８０Å〜３００Åの表面金属膜４を順次に積層したＭ−
Ｉ−Ｍ構造のもので、表面金属膜４の中央部に電子放出
領域５を有している。
れている従来のトンネル効果型電子放出素子は主として
真空管用のもので、図９に示すようなサンドイッチ構造
になっている。すなわち、ガラス基板１の表面上に金属
ベース膜２、膜厚約１００Åの誘電体薄膜３および膜厚
８０Å〜３００Åの表面金属膜４を順次に積層したＭ−
Ｉ−Ｍ構造のもので、表面金属膜４の中央部に電子放出
領域５を有している。
【０００３】真空にされた気密バルブ内に陽極と対向し
て配置されたかかる電子放出素子の金属ベース膜２と表
面金属膜４との間に後者が正となる極性に直流電圧Ｖd
が印加されると、層間でのエネルギーバンドは図１０に
模式的に示すようなものとなる。ただし、φA，φB，φ
Mはポテンシャル障壁、ｅＶdは直流電圧Ｖdによるポテ
ンシャルエネルギー（ｅは電気素量）を示す。
て配置されたかかる電子放出素子の金属ベース膜２と表
面金属膜４との間に後者が正となる極性に直流電圧Ｖd
が印加されると、層間でのエネルギーバンドは図１０に
模式的に示すようなものとなる。ただし、φA，φB，φ
Mはポテンシャル障壁、ｅＶdは直流電圧Ｖdによるポテ
ンシャルエネルギー（ｅは電気素量）を示す。
【０００４】ポテンシャルエネルギーｅＶdが表面金属
膜４の仕事関数よりも大きいとき、金属ベース膜２から
放射された電子はポテンシャル障壁φAをトンネル効果
で透過し、その一部は表面金属膜４を通り抜けて真空空
間に放出され、陽極に流入する。ただし、表面金属膜４
から真空空間への電子放出は、ポテンシャルエネルギー
ｅＶdがポテンシャル障壁φMよりも大きいときにかぎら
れる。
膜４の仕事関数よりも大きいとき、金属ベース膜２から
放射された電子はポテンシャル障壁φAをトンネル効果
で透過し、その一部は表面金属膜４を通り抜けて真空空
間に放出され、陽極に流入する。ただし、表面金属膜４
から真空空間への電子放出は、ポテンシャルエネルギー
ｅＶdがポテンシャル障壁φMよりも大きいときにかぎら
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ここで問題となるの
は、金属ベース膜２から表面金属膜４へ流入してしまう
ダイオード電流Ｉdが非常に大きく、電子放出領域５か
らの電子電流Ｉeとの比（Ｉ e／Ｉd＝放出効率α）がき
わめて小さい値となることである。図１１はかかるＭ−
Ｉ−Ｍ構造の電子放出素子をＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ａｕの材
料で構成した場合の表面金属膜膜厚Ｄに対する放出効率
αの変化を例示したもので、放出効率αは膜厚Ｄととも
に指数関数的に減少する。このように、ホットエレクト
ロンが表面金属膜４中の電子と衝突することによるエネ
ルギー損失は大きく、衝突確率は膜厚とともに指数関数
的に増加する。
は、金属ベース膜２から表面金属膜４へ流入してしまう
ダイオード電流Ｉdが非常に大きく、電子放出領域５か
らの電子電流Ｉeとの比（Ｉ e／Ｉd＝放出効率α）がき
わめて小さい値となることである。図１１はかかるＭ−
Ｉ−Ｍ構造の電子放出素子をＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ａｕの材
料で構成した場合の表面金属膜膜厚Ｄに対する放出効率
αの変化を例示したもので、放出効率αは膜厚Ｄととも
に指数関数的に減少する。このように、ホットエレクト
ロンが表面金属膜４中の電子と衝突することによるエネ
ルギー損失は大きく、衝突確率は膜厚とともに指数関数
的に増加する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のガス放電管は、
ガスを満たした放電空間を介して陽極と導体基板上に誘
電体薄膜を形成した陰極とが向き合い、前記陽極と陰極
との間に直流の電圧を印加する電圧印加手段を備え、前
記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加して放電するガ
ス放電管において、前記導体基板上の誘電体薄膜を前記
導体基板から供給された電子がトンネル効果とホットエ
レクトロンの状態とを得る厚みに形成する。また、本発
明のガス放電管の駆動方法は、ガスを満たした放電空間
を介して陽極と導体基板上に誘電体薄膜を形成した陰極
とが向き合い、前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印
加する電圧印加手段を備え、前記陽極と陰極との間に直
流の電圧を印加して前記ガスを電離することにより放電
するガス放電管の駆動方法において、前記導体基板上に
誘電体薄膜を所定の厚みに形成して、前記ガスの電離さ
れた陽イオンを前記誘電体薄膜上に付着させることによ
り前記導体基板から供給された電子がトンネル効果とホ
ットエレクトロンの状態とを得る。
ガスを満たした放電空間を介して陽極と導体基板上に誘
電体薄膜を形成した陰極とが向き合い、前記陽極と陰極
との間に直流の電圧を印加する電圧印加手段を備え、前
記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加して放電するガ
ス放電管において、前記導体基板上の誘電体薄膜を前記
導体基板から供給された電子がトンネル効果とホットエ
レクトロンの状態とを得る厚みに形成する。また、本発
明のガス放電管の駆動方法は、ガスを満たした放電空間
を介して陽極と導体基板上に誘電体薄膜を形成した陰極
とが向き合い、前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印
加する電圧印加手段を備え、前記陽極と陰極との間に直
流の電圧を印加して前記ガスを電離することにより放電
するガス放電管の駆動方法において、前記導体基板上に
誘電体薄膜を所定の厚みに形成して、前記ガスの電離さ
れた陽イオンを前記誘電体薄膜上に付着させることによ
り前記導体基板から供給された電子がトンネル効果とホ
ットエレクトロンの状態とを得る。
【０００７】
【作用】かかるガス放電管およびその駆動方法の構成で
は、放出電子に対してエネルギー損失を与える表面金属
膜が存在しないＭ−Ｉ構造となる。Ｉ層たる誘電体薄膜
の露出表面には、ガスの電離で生じた陽イオンが付着し
てイオンの原子層が生成される。この原子層と前記導電
体基板との間の電位差はほぼＶdとなるので、在来のＭ
−Ｉ−Ｍ構造におけると同様の強電界を与えることがで
き、トンネル効果による電子放出作用を得ることができ
る。表面金属膜を有しないので、ホットエレクトロンが
金属電子と衝突することによるエネルギー損失はなく、
誘電体薄膜の表面に達したホットエレクトロンは、図２
に示すように、ほぼｅＶdのエネルギーでポテンシャル
障壁φMを越え、陽イオンの隙間からガス雰囲気中へ放
出される。
は、放出電子に対してエネルギー損失を与える表面金属
膜が存在しないＭ−Ｉ構造となる。Ｉ層たる誘電体薄膜
の露出表面には、ガスの電離で生じた陽イオンが付着し
てイオンの原子層が生成される。この原子層と前記導電
体基板との間の電位差はほぼＶdとなるので、在来のＭ
−Ｉ−Ｍ構造におけると同様の強電界を与えることがで
き、トンネル効果による電子放出作用を得ることができ
る。表面金属膜を有しないので、ホットエレクトロンが
金属電子と衝突することによるエネルギー損失はなく、
誘電体薄膜の表面に達したホットエレクトロンは、図２
に示すように、ほぼｅＶdのエネルギーでポテンシャル
障壁φMを越え、陽イオンの隙間からガス雰囲気中へ放
出される。
【０００８】この内の一部の放出電子は誘電体薄膜の表
面で陽イオンと中和し、中性ガス分子となって誘電体薄
膜の表面から離脱するが、一方、気密バルブ内を浮遊す
る中性ガス分子の一部は放出電子と衝突して二次電子を
放出し、放出電子の量を補うと同時に陽イオン化し、誘
電体薄膜の表面に捕えられる。
面で陽イオンと中和し、中性ガス分子となって誘電体薄
膜の表面から離脱するが、一方、気密バルブ内を浮遊す
る中性ガス分子の一部は放出電子と衝突して二次電子を
放出し、放出電子の量を補うと同時に陽イオン化し、誘
電体薄膜の表面に捕えられる。
【０００９】このようにして、誘電体薄膜表面での陽イ
オンの補給と消滅とが平衡状態を保ち、一定量の陽イオ
ンの原子層が保持されるので、安定した電子放出動作を
持続させ得るのであり、導電体基板に供給される電子の
すべてが放出電子となるので、放出効率αを１に近いも
のとなし得る。
オンの補給と消滅とが平衡状態を保ち、一定量の陽イオ
ンの原子層が保持されるので、安定した電子放出動作を
持続させ得るのであり、導電体基板に供給される電子の
すべてが放出電子となるので、放出効率αを１に近いも
のとなし得る。
【００１０】
【実施例】図１は本発明を実施したガス放電管の基本的
構成を示すもので、６，７はガラス基板、８はガラス基
板６の表面上に蒸着形成された金属ベース膜たる導電体
基板、９は導電体基板８上に蒸着によって形成された誘
電体薄膜、１０はガラス基板７の表面上に設けられて導
電体基板８に対し正の電位Ｖdが与えられる陽極、１１
は気密バルブ１２内に封入された稀ガス、１３は導電体
基板８のリード端子、１４は陽極１０のリード端子、１
５は陰極・陽極間の電位差Ｖdを表示する電圧計、１６
はＶsなる直流電圧を与える電圧印加手段である電圧可
変電源、１７は可変抵抗、１８は放電開始後に誘電体薄
膜９の露出表面にチャージされたガスの陽イオンを示
す。
構成を示すもので、６，７はガラス基板、８はガラス基
板６の表面上に蒸着形成された金属ベース膜たる導電体
基板、９は導電体基板８上に蒸着によって形成された誘
電体薄膜、１０はガラス基板７の表面上に設けられて導
電体基板８に対し正の電位Ｖdが与えられる陽極、１１
は気密バルブ１２内に封入された稀ガス、１３は導電体
基板８のリード端子、１４は陽極１０のリード端子、１
５は陰極・陽極間の電位差Ｖdを表示する電圧計、１６
はＶsなる直流電圧を与える電圧印加手段である電圧可
変電源、１７は可変抵抗、１８は放電開始後に誘電体薄
膜９の露出表面にチャージされたガスの陽イオンを示
す。
【００１１】電圧Ｖsが放電開始電圧を越えると、誘電
体薄膜９と陽極１０との間で過渡的に放電現象が起こ
り、この放電で電離したガスの陽イオン１８が誘電体薄
膜９の露出表面にチャージされる。このチャージによる
電荷（初期値は導電体基板に対してほぼＶs）と導電体
基板８の電位とによって誘電体薄膜９に強電界が与えら
れる。このため、トンネル効果による電子放出が開始さ
れ、導電体基板８から誘電体薄膜９を透過したホットエ
レクトロンが陽極１０側へ放射される。定常状態に達す
ると電子放出動作が安定化し、この状態が持続される。
このとき電圧計１５は初期値ＶS（放電開始電圧）より
も遙かに低い値Ｖd（放電維持電圧）を示す。放出電流
Ｉeは可変抵抗１７によって制御できる。なお、前記ホ
ットエレクトロンとは、導電体基板８から供給された電
子が誘電体薄膜９の厚み方向の一部をトンネルした後
に、誘電体薄膜９の厚み方向の直流電界により誘電体薄
膜９の厚み方向の残りの部分の伝導帯をほとんどのエネ
ルギーを失わずに走行して加速された電子をいう。以
下、このような電子をホットエレクトロンという。
体薄膜９と陽極１０との間で過渡的に放電現象が起こ
り、この放電で電離したガスの陽イオン１８が誘電体薄
膜９の露出表面にチャージされる。このチャージによる
電荷（初期値は導電体基板に対してほぼＶs）と導電体
基板８の電位とによって誘電体薄膜９に強電界が与えら
れる。このため、トンネル効果による電子放出が開始さ
れ、導電体基板８から誘電体薄膜９を透過したホットエ
レクトロンが陽極１０側へ放射される。定常状態に達す
ると電子放出動作が安定化し、この状態が持続される。
このとき電圧計１５は初期値ＶS（放電開始電圧）より
も遙かに低い値Ｖd（放電維持電圧）を示す。放出電流
Ｉeは可変抵抗１７によって制御できる。なお、前記ホ
ットエレクトロンとは、導電体基板８から供給された電
子が誘電体薄膜９の厚み方向の一部をトンネルした後
に、誘電体薄膜９の厚み方向の直流電界により誘電体薄
膜９の厚み方向の残りの部分の伝導帯をほとんどのエネ
ルギーを失わずに走行して加速された電子をいう。以
下、このような電子をホットエレクトロンという。
【００１２】エネルギーバンドを図２に模式的に示す。
導電体基板８からの電子は膜厚ｄの誘電体薄膜９を通り
抜けて稀ガス１１中に達するが、その過程では図中にｄ
1で示す部分がトンネル効果で透過し、ｄ2で示す部分が
誘電体薄膜９の伝導体中を走行して露出表面に達する。
稀ガス１１と陽イオン１８の原子層との界面を真空と考
えると、ポテンシャル障壁φCはポテンシャル障壁φDよ
りも小さい。誘電体薄膜９の露出表面に達した電子はホ
ットエレクトロンで、ポテンシャル障壁φDよりも大き
いエネルギーｅＶd′を有するので、ポテンシャル障壁
φDを越えてガス雰囲気中へ飛び出す。このとき、誘電
体薄膜９の露出表面から放出される一部の放出電子は陽
イオン原子と中和し、他の放出電子はエネルギーｅＶK
によって与えられる平均初速度υ＝（２ｅＶK／ｍe）
（ただしｍeは電子質量）でガス分子と衝突し、ガスを
電離する。衝突によってエネルギーを失った電子は、ガ
ス中のわずかな電位差ＶGによって陽極１０に到達す
る。一方、電離した陽イオンの一部は誘電体薄膜９の露
出表面に捕らえられる。このような電子放出と電離とが
平衡状態を保つには、放出電子の加速電圧ｅＶKがガス
の第１電離電圧ｅＶi1（ガス分子の最外殻の電子が離れ
て１価の陽イオンとなる最小エネルギー）よりも大きく
ならなければならない。したがって、
導電体基板８からの電子は膜厚ｄの誘電体薄膜９を通り
抜けて稀ガス１１中に達するが、その過程では図中にｄ
1で示す部分がトンネル効果で透過し、ｄ2で示す部分が
誘電体薄膜９の伝導体中を走行して露出表面に達する。
稀ガス１１と陽イオン１８の原子層との界面を真空と考
えると、ポテンシャル障壁φCはポテンシャル障壁φDよ
りも小さい。誘電体薄膜９の露出表面に達した電子はホ
ットエレクトロンで、ポテンシャル障壁φDよりも大き
いエネルギーｅＶd′を有するので、ポテンシャル障壁
φDを越えてガス雰囲気中へ飛び出す。このとき、誘電
体薄膜９の露出表面から放出される一部の放出電子は陽
イオン原子と中和し、他の放出電子はエネルギーｅＶK
によって与えられる平均初速度υ＝（２ｅＶK／ｍe）
（ただしｍeは電子質量）でガス分子と衝突し、ガスを
電離する。衝突によってエネルギーを失った電子は、ガ
ス中のわずかな電位差ＶGによって陽極１０に到達す
る。一方、電離した陽イオンの一部は誘電体薄膜９の露
出表面に捕らえられる。このような電子放出と電離とが
平衡状態を保つには、放出電子の加速電圧ｅＶKがガス
の第１電離電圧ｅＶi1（ガス分子の最外殻の電子が離れ
て１価の陽イオンとなる最小エネルギー）よりも大きく
ならなければならない。したがって、
【００１３】
【数１】
【００１４】の条件が満たされた状態で安定する。
【００１５】図１の構成において、導電体基板８を膜厚
５μｍのＡｌで、誘電体薄膜９を膜厚５００ÅのＭｇＯ
で、そして、陽極１０を膜厚２０００ÅのＩＴＯ膜（透
明導電膜）でそれぞれ形成し、各電極を直径１６mmの円
盤状となすとともに、誘電体薄膜９と陽極１０との距離
を０．３mmとなし、稀ガス１１としてＮｅを用いた（２
５０Torr）ところ、電源電圧Ｖs＝１２５Ｖにおける放
電電流Ｉeと放電維持電圧Ｖdとの関係は図３のａに示す
ものとなった。
５μｍのＡｌで、誘電体薄膜９を膜厚５００ÅのＭｇＯ
で、そして、陽極１０を膜厚２０００ÅのＩＴＯ膜（透
明導電膜）でそれぞれ形成し、各電極を直径１６mmの円
盤状となすとともに、誘電体薄膜９と陽極１０との距離
を０．３mmとなし、稀ガス１１としてＮｅを用いた（２
５０Torr）ところ、電源電圧Ｖs＝１２５Ｖにおける放
電電流Ｉeと放電維持電圧Ｖdとの関係は図３のａに示す
ものとなった。
【００１６】同図のｂは誘電体薄膜９として、数％のＭ
ｎＯ2をドープしたＭｇＯを用いた実施例の放出電流Ｉe
と放電維持電圧Ｖdとの関係を示す特性図である。
ｎＯ2をドープしたＭｇＯを用いた実施例の放出電流Ｉe
と放電維持電圧Ｖdとの関係を示す特性図である。
【００１７】これらの特性図から分かるように、在来の
トンネル効果型電子放出素子に比べてきわめて大きい放
出電流が得られ、電流値を変化させてもかなり広い範囲
で安定に動作する。二極放電管であるので、電源のマイ
ナス側から供給された電子はすべて放出電子の過程を経
て電源のプラス側へ戻ってくる。つまり、放出効率α≒
１である。また、従来の放電管と比べると、放電維持電
圧Ｖdが極めて低いといえる。（数１）において、ポテ
ンシャル障壁φM＝２ｅＶ、ガス中の電位差ＶG＝１Ｖと
すると、Ｎｅの第１電離電圧ｅＶi1＝２１．５６ｅＶで
あるので、放電維持電圧Ｖd＞２４．５６Ｖであればよ
く、図３のａではＶd＝２７Ｖ、図３のｂではＶd＝２５
Ｖとなっており、いずれも（数１）を満たす。
トンネル効果型電子放出素子に比べてきわめて大きい放
出電流が得られ、電流値を変化させてもかなり広い範囲
で安定に動作する。二極放電管であるので、電源のマイ
ナス側から供給された電子はすべて放出電子の過程を経
て電源のプラス側へ戻ってくる。つまり、放出効率α≒
１である。また、従来の放電管と比べると、放電維持電
圧Ｖdが極めて低いといえる。（数１）において、ポテ
ンシャル障壁φM＝２ｅＶ、ガス中の電位差ＶG＝１Ｖと
すると、Ｎｅの第１電離電圧ｅＶi1＝２１．５６ｅＶで
あるので、放電維持電圧Ｖd＞２４．５６Ｖであればよ
く、図３のａではＶd＝２７Ｖ、図３のｂではＶd＝２５
Ｖとなっており、いずれも（数１）を満たす。
【００１８】図４のａは、前述の条件において電流Ｉe
＝２ｍＡに固定し、稀ガス１１の圧力を変化させた場合
のガス圧Ｐと放電維持電圧Ｖdとの関係を示している。
また、同図のｃは、同図のａの条件における稀ガス１１
を、Ｈｅ，Ｋｒ，Ｘｅの８８：１０：２のモル比の混合
ガスとし、電源電圧Ｖs＝１８５Ｖとした実施例の特性
を示している。これらの特性図から、混合ガスを用いた
りガス圧を変えても、かなり広い範囲で４０Ｖ以下の放
電維持電圧Ｖdで動作させ得ることが分かる。
＝２ｍＡに固定し、稀ガス１１の圧力を変化させた場合
のガス圧Ｐと放電維持電圧Ｖdとの関係を示している。
また、同図のｃは、同図のａの条件における稀ガス１１
を、Ｈｅ，Ｋｒ，Ｘｅの８８：１０：２のモル比の混合
ガスとし、電源電圧Ｖs＝１８５Ｖとした実施例の特性
を示している。これらの特性図から、混合ガスを用いた
りガス圧を変えても、かなり広い範囲で４０Ｖ以下の放
電維持電圧Ｖdで動作させ得ることが分かる。
【００１９】下表は、図３のａの条件での稀ガス１１の
種類を変えた場合の、ガスの共振電圧ｅＶr、第１電離
電圧ｅＶi1に対する放電維持電圧Ｖdの実測値を示すも
のである。これらから、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ
を用いても、各ガスの第１電離電圧ｅＶi1に対する放電
維持電圧Ｖdの値は、（数１）をほぼ満たすことが分か
る。
種類を変えた場合の、ガスの共振電圧ｅＶr、第１電離
電圧ｅＶi1に対する放電維持電圧Ｖdの実測値を示すも
のである。これらから、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ
を用いても、各ガスの第１電離電圧ｅＶi1に対する放電
維持電圧Ｖdの値は、（数１）をほぼ満たすことが分か
る。
【００２０】
【表１】
【００２１】ここでガス共振電圧ｅＶrとは、光量子ｈ
νを放出して、より低い励起または基底状態に移ること
が可能な励起エネルギーのことである。同表に示すよう
に第１電離電圧ｅＶi1＞共振電圧ｅＶrであるので、い
ずれのガスも電子放出中は電流値に比例する輝度で励起
発光する。この場合の放電維持電圧Ｖdは、在来の放電
管の放電維持電圧の数分の１程度である。したがって、
発光効率は数倍になる。たとえばＮｅの場合の発光効率
は０．８ルーメン／Ｗとなり、これは放電発光素子とし
てはきわめて高い値である。
νを放出して、より低い励起または基底状態に移ること
が可能な励起エネルギーのことである。同表に示すよう
に第１電離電圧ｅＶi1＞共振電圧ｅＶrであるので、い
ずれのガスも電子放出中は電流値に比例する輝度で励起
発光する。この場合の放電維持電圧Ｖdは、在来の放電
管の放電維持電圧の数分の１程度である。したがって、
発光効率は数倍になる。たとえばＮｅの場合の発光効率
は０．８ルーメン／Ｗとなり、これは放電発光素子とし
てはきわめて高い値である。
【００２２】図５に示す陰極は、ガラス基板６の表面上
にＡｌの蒸着膜たる膜厚５μｍの導電体基板１８が設け
られており、この導電体基板１８の表面上に膜厚約５０
０ÅのＭｇを主成分とする導電性の中間層１９が蒸着に
よって設けられている。そして、この中間層１９の表面
上にＭｇＯを主成分とする膜厚１０００Åの誘電体薄膜
２０が設けられており、この誘電体薄膜２０は陽極と向
き合いかつ管内ガスに接触する露出表面２０ａを有して
いる。
にＡｌの蒸着膜たる膜厚５μｍの導電体基板１８が設け
られており、この導電体基板１８の表面上に膜厚約５０
０ÅのＭｇを主成分とする導電性の中間層１９が蒸着に
よって設けられている。そして、この中間層１９の表面
上にＭｇＯを主成分とする膜厚１０００Åの誘電体薄膜
２０が設けられており、この誘電体薄膜２０は陽極と向
き合いかつ管内ガスに接触する露出表面２０ａを有して
いる。
【００２３】このように構成された陰極を用いたガス放
電管では、トンネル現象の特性を左右する接合部が、中
間層１９とＭｇＯを主成分とする誘電体薄膜２０との界
面に生成されるので、異種金属によって生成される接合
面に比べて安定したトンネル現象を得ることができ、陰
極製造上の再現性を高め得る。すなわち、かかる陰極を
用いて製造したガス放電管の放電維持電圧（ただしＶm
＝２７Ｖ）の変動値（ばらつき）は、中間層を有しない
場合の最大２０Ｖ（ただしＶm＝４７Ｖ）に対し最大７
Ｖ（ただしＶm＝３４Ｖ）に抑え得るのであり、製造歩
留を著しく改善できる。
電管では、トンネル現象の特性を左右する接合部が、中
間層１９とＭｇＯを主成分とする誘電体薄膜２０との界
面に生成されるので、異種金属によって生成される接合
面に比べて安定したトンネル現象を得ることができ、陰
極製造上の再現性を高め得る。すなわち、かかる陰極を
用いて製造したガス放電管の放電維持電圧（ただしＶm
＝２７Ｖ）の変動値（ばらつき）は、中間層を有しない
場合の最大２０Ｖ（ただしＶm＝４７Ｖ）に対し最大７
Ｖ（ただしＶm＝３４Ｖ）に抑え得るのであり、製造歩
留を著しく改善できる。
【００２４】前述の実施例では、誘電体薄膜２０を蒸着
によって形成したが、下記の製造方法によると安定性の
一層すぐれた陰極を能率よく形成できる。この場合は図
６に示すように、Ａｌの蒸着膜からなる導電体基板１８
の表面上に、まず、Ｍｇ（純度９９．９９％）の薄膜２
１を真空蒸着によって形成する。次いで真空中での加熱
（４５０℃，３時間）処理により、導電体基板１８のＡ
ｌを薄膜２１の一部分に拡散させる。この熱拡散によっ
て図７に示すようにＭｇにＡｌを含んだ導電性の中間層
２２が生成されるので、次に、薄膜２１の残余部分（表
面領域）を空気中４５０℃に３時間保持して酸化させる
のであり、この領域を誘電体薄膜ならしめる。
によって形成したが、下記の製造方法によると安定性の
一層すぐれた陰極を能率よく形成できる。この場合は図
６に示すように、Ａｌの蒸着膜からなる導電体基板１８
の表面上に、まず、Ｍｇ（純度９９．９９％）の薄膜２
１を真空蒸着によって形成する。次いで真空中での加熱
（４５０℃，３時間）処理により、導電体基板１８のＡ
ｌを薄膜２１の一部分に拡散させる。この熱拡散によっ
て図７に示すようにＭｇにＡｌを含んだ導電性の中間層
２２が生成されるので、次に、薄膜２１の残余部分（表
面領域）を空気中４５０℃に３時間保持して酸化させる
のであり、この領域を誘電体薄膜ならしめる。
【００２５】中間層２２は図７に示すようにＭｇ薄膜２
１の一部分に形成される。酸化処理後における中間層１
９と誘電体薄膜２０との境界は、図５に示すようなはっ
きりしたものではないが、おおむねこのような分布とな
る。その理由は、拡散時におけるＡｌはＭｇの表面まで
いったん拡散されるが、酸化処理時におけるＡｌはＭｇ
の表面からＡｌベース側へ押し戻されるからと推察され
る。
１の一部分に形成される。酸化処理後における中間層１
９と誘電体薄膜２０との境界は、図５に示すようなはっ
きりしたものではないが、おおむねこのような分布とな
る。その理由は、拡散時におけるＡｌはＭｇの表面まで
いったん拡散されるが、酸化処理時におけるＡｌはＭｇ
の表面からＡｌベース側へ押し戻されるからと推察され
る。
【００２６】このような製造方法によって製造された陰
極を組み込んだガス放電管では、トンネル効果による電
子放出能がより安定化し、放電維持電圧の変動値を１Ｖ
以下に低減せしめ得て、製造歩留を格段に改善できる。
極を組み込んだガス放電管では、トンネル効果による電
子放出能がより安定化し、放電維持電圧の変動値を１Ｖ
以下に低減せしめ得て、製造歩留を格段に改善できる。
【００２７】前述の実施例では、導電体基板８として膜
厚５μｍのＡｌ膜を、誘電体薄膜９として膜厚５００Å
のＭｇＯまたはＭｇＯに数％のＭｎＯ2をドープした膜
を、そして、陽極１０として膜厚２０００ÅのＩＴＯ
（透明導電膜）をそれぞれ用い、各電極の大きさを直径
１６mmの円盤状となし、誘電体薄膜９と陽極１０との距
離を０．３mmとし、気密バルブ１２内に封入する稀ガス
１１としてＮｅまたはＨｅ，Ｋｒ，Ｘｅの８８：１０：
２のモル比の混合ガス（１Torr〜４５０Torrの範囲）を
用い、電源電圧Ｖsは１２５Ｖと１８５Ｖとの二値を用
いた。しかし、これら以外の条件でも本発明を実施する
ことは可能で、導電体基板８としてＡｕを用いた場合も
良い結果が得られた。しかし、ＣｒやＦｅを使用すると
酸化処理時の酸化が激しく、Ｃｒ2Ｏ3やＦｅ2Ｏ3などの
酸化被膜を生じて、誘電体膜との接合状態を乱し、トン
ネル効果が得られない。また、変形も著しい。膜厚は特
性に無関係であるので、ガラス基板を用いない単体の金
属板であってもよい。ただし、材料の種類によって誘電
体薄膜９との界面の状態が異なるので、導電体基板８と
誘電体薄膜９との組み合わせが電子放出時のエネルギー
損失を左右する。ソーダガラスの使用は、アルカリ成分
が薄いＡｌ膜を透過して、Ａｌおよび誘電体薄膜に大き
な影響を与えるので好ましくない。低アルカリやノンア
ルカリのガラスを用いるのが好ましく、Ａｌの厚さは１
μｍ以上が好ましい。
厚５μｍのＡｌ膜を、誘電体薄膜９として膜厚５００Å
のＭｇＯまたはＭｇＯに数％のＭｎＯ2をドープした膜
を、そして、陽極１０として膜厚２０００ÅのＩＴＯ
（透明導電膜）をそれぞれ用い、各電極の大きさを直径
１６mmの円盤状となし、誘電体薄膜９と陽極１０との距
離を０．３mmとし、気密バルブ１２内に封入する稀ガス
１１としてＮｅまたはＨｅ，Ｋｒ，Ｘｅの８８：１０：
２のモル比の混合ガス（１Torr〜４５０Torrの範囲）を
用い、電源電圧Ｖsは１２５Ｖと１８５Ｖとの二値を用
いた。しかし、これら以外の条件でも本発明を実施する
ことは可能で、導電体基板８としてＡｕを用いた場合も
良い結果が得られた。しかし、ＣｒやＦｅを使用すると
酸化処理時の酸化が激しく、Ｃｒ2Ｏ3やＦｅ2Ｏ3などの
酸化被膜を生じて、誘電体膜との接合状態を乱し、トン
ネル効果が得られない。また、変形も著しい。膜厚は特
性に無関係であるので、ガラス基板を用いない単体の金
属板であってもよい。ただし、材料の種類によって誘電
体薄膜９との界面の状態が異なるので、導電体基板８と
誘電体薄膜９との組み合わせが電子放出時のエネルギー
損失を左右する。ソーダガラスの使用は、アルカリ成分
が薄いＡｌ膜を透過して、Ａｌおよび誘電体薄膜に大き
な影響を与えるので好ましくない。低アルカリやノンア
ルカリのガラスを用いるのが好ましく、Ａｌの厚さは１
μｍ以上が好ましい。
【００２８】誘電体薄膜９は、電気絶縁性の薄膜であれ
ばよく、Ｅｕ2Ｏ3，ＣｅＯ2，Ｌａ2Ｏ3などの単体また
は混合物を使用することができる。また、誘電体薄膜の
ドーパントとしてＭｎＯ2以外に前述のような酸化物誘
電体を用いてもよい。しかし、ＭｇＯを主成分としたも
のが、仕事関数，二次電子放出率，エネルギー損失およ
び耐イオン衝撃等の面でもっとも実用的であることが、
実験の結果判明した。また、ドーパント以外の不純物は
極力排除した方が、エネルギー損失は小さくできる。ま
た、結晶性は必ずしもトンネル現象に影響しないが、充
填率が低くなるとトンネル現象が起こりにくくなる。製
作方法に関しては、真空蒸着以外にもスパッタやＥＢ等
が考えられる。ＭｇＯにＭｎＯ2をドープする場合に
は、ＣＶＤを用いることができる。膜厚は５０００Å以
下とりわけ３００Å〜３０００Åが適当で、図８に示す
ように１μｍを越えるとトンネル効果が生じなくなる。
誘電体薄膜９と陽極１０との間隔を０．３mmから変化さ
せると電子放出面積および電流密度は変化するものの、
電子放出の動作態様は基本的に同様である。
ばよく、Ｅｕ2Ｏ3，ＣｅＯ2，Ｌａ2Ｏ3などの単体また
は混合物を使用することができる。また、誘電体薄膜の
ドーパントとしてＭｎＯ2以外に前述のような酸化物誘
電体を用いてもよい。しかし、ＭｇＯを主成分としたも
のが、仕事関数，二次電子放出率，エネルギー損失およ
び耐イオン衝撃等の面でもっとも実用的であることが、
実験の結果判明した。また、ドーパント以外の不純物は
極力排除した方が、エネルギー損失は小さくできる。ま
た、結晶性は必ずしもトンネル現象に影響しないが、充
填率が低くなるとトンネル現象が起こりにくくなる。製
作方法に関しては、真空蒸着以外にもスパッタやＥＢ等
が考えられる。ＭｇＯにＭｎＯ2をドープする場合に
は、ＣＶＤを用いることができる。膜厚は５０００Å以
下とりわけ３００Å〜３０００Åが適当で、図８に示す
ように１μｍを越えるとトンネル効果が生じなくなる。
誘電体薄膜９と陽極１０との間隔を０．３mmから変化さ
せると電子放出面積および電流密度は変化するものの、
電子放出の動作態様は基本的に同様である。
【００２９】前述の実施例では、ＭｇＯを主成分とする
誘電体薄膜９に対し、当該金属たるＭｇを主成分とする
材料で中間層１９を形成したが、誘電体薄膜９が他の金
属酸化物を主成分とする場合は、当該金属を主成分とす
る材料で中間層１９を形成すればよい。
誘電体薄膜９に対し、当該金属たるＭｇを主成分とする
材料で中間層１９を形成したが、誘電体薄膜９が他の金
属酸化物を主成分とする場合は、当該金属を主成分とす
る材料で中間層１９を形成すればよい。
【００３０】稀ガス１１は、稀ガス以外のガスでもよ
い。ただし、酸素や窒素などの活性ガスを用いると、他
の物質を酸化させたり窒化させたりして、放電条件が変
化する可能性がある。また、ガスの封入圧は、電流密度
によって動作可能な圧力の下限が異なるが、実験的には
ほぼ１Torr以下になると、安定に動作しなくなる。
い。ただし、酸素や窒素などの活性ガスを用いると、他
の物質を酸化させたり窒化させたりして、放電条件が変
化する可能性がある。また、ガスの封入圧は、電流密度
によって動作可能な圧力の下限が異なるが、実験的には
ほぼ１Torr以下になると、安定に動作しなくなる。
【００３１】
【発明の効果】本発明は前述のように構成されるので、
ガス雰囲気中でのトンネル効果型電子放出素子の電子放
出効率を１に近いものとでき、ガスの第１電離電圧に数
Ｖ程度加えた低い放電維持電圧（在来の放電管の数分の
１）で放電および発光を得ることができ、発光効率は従
来の放電管の数倍となり、放電素子としての低電力化や
高輝度化を図ることができる。
ガス雰囲気中でのトンネル効果型電子放出素子の電子放
出効率を１に近いものとでき、ガスの第１電離電圧に数
Ｖ程度加えた低い放電維持電圧（在来の放電管の数分の
１）で放電および発光を得ることができ、発光効率は従
来の放電管の数倍となり、放電素子としての低電力化や
高輝度化を図ることができる。
【図１】本発明を実施したガス放電管の基本的構成を示
す側断面図
す側断面図
【図２】同放電管のエネルギーバンドを模式的に示す図
【図３】同放電管の放出電子Ｉeと放電維持電圧Ｖdとの
関係を例示する特性図
関係を例示する特性図
【図４】同放電管のガス圧Ｐと放電維持電圧Ｖdとの関
係を例示する特性図
係を例示する特性図
【図５】本発明の他の実施例の陰極の断面図
【図６】本発明の他の実施例の陰極の製造段階における
側断面図
側断面図
【図７】同陰極の側断面図
【図８】誘電体薄膜の膜厚に対する放電維持電圧の関係
を示す実験データ
を示す実験データ
【図９】従来のトンネル効果型電子放出素子の側断面図
【図１０】同素子を真空中で動作させた場合の層間エネ
ルギーバンドを模式的に示す図
ルギーバンドを模式的に示す図
【図１１】同素子をＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ａｕの材料で構成
した場合の表面金属膜膜厚Ｄと放出効率αとの関係を示
す特性図
した場合の表面金属膜膜厚Ｄと放出効率αとの関係を示
す特性図
６，７ ガラス基板 ８，１８ 導電体基板 ９，２０ 誘電体薄膜 １０ 陽極 １９ 拡散膜 ２１ Ｍｇの薄膜 ２２ ＭｇにＡｌを含んだ導電性中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 17/06 H01J 1/30 H01J 9/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 ガスを満たした放電空間を介して陽極と
導体基板上に誘電体薄膜を形成した陰極とが向き合い、
前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加する電圧印加
手段を備え、前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加
して放電するガス放電管において、前記導体基板上の誘
電体薄膜を前記導体基板から供給された電子がトンネル
効果とホットエレクトロンの状態とを得る厚みに形成す
ることを特徴とするガス放電管。 - 【請求項２】 前記誘電体薄膜は、ＭｇＯを主成分とし
かつその膜の厚さを１００Å〜１μｍとしたことを特徴
とする請求項１記載のガス放電管。 - 【請求項３】 前記誘電体薄膜と前記導電体基板との界
面に導電性の中間層が設けられてなることを特徴とする
請求項１記載のガス放電管。 - 【請求項４】 前記誘電体薄膜がＭｇＯを主成分とする
物質からなり、中間層がＭｇを主成分とする物質からな
ることを特徴とする請求項３記載のガス放電管。 - 【請求項５】 ガスを満たした放電空間を介して陽極と
導体基板上に誘電体薄膜を形成した陰極とが向き合い、
前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加する電圧印加
手段を備え、前記陽極と陰極との間に直流の電圧を印加
して前記ガスを電離することにより放電するガス放電管
の駆動方法において、前記導体基板上に誘電体薄膜を所
定の厚みに形成して、前記ガスの電離された陽イオンを
前記誘電体薄膜上に付着させることにより前記導体基板
から供給された電子がトンネル効果とホットエレクトロ
ンの状態とを得ることを特徴とするガス放電管の駆動方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25622191A JP3056558B2 (ja) | 1990-10-15 | 1991-10-03 | ガス放電管およびその駆動方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27698190 | 1990-10-15 | ||
| JP2-276981 | 1990-10-15 | ||
| JP25622191A JP3056558B2 (ja) | 1990-10-15 | 1991-10-03 | ガス放電管およびその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04363835A JPH04363835A (ja) | 1992-12-16 |
| JP3056558B2 true JP3056558B2 (ja) | 2000-06-26 |
Family
ID=26542631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25622191A Expired - Fee Related JP3056558B2 (ja) | 1990-10-15 | 1991-10-03 | ガス放電管およびその駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3056558B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19990034465A (ko) * | 1997-10-29 | 1999-05-15 | 엄길용 | 교류형 플라즈마 표시소자의 보호층 형성방법 |
| JP2011054281A (ja) * | 2009-08-31 | 2011-03-17 | Air Water Inc | 酸化マグネシウム膜およびその成膜方法、ならびにプラズマ生成電極 |
| JP5363918B2 (ja) * | 2009-08-31 | 2013-12-11 | エア・ウォーター株式会社 | 酸化マグネシウム膜およびその成膜方法、ならびにプラズマ生成電極 |
-
1991
- 1991-10-03 JP JP25622191A patent/JP3056558B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04363835A (ja) | 1992-12-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |