JP3075024B2 - 電磁波駆動型スイッチ - Google Patents
電磁波駆動型スイッチInfo
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- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/54—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements of vacuum tubes
- H03K17/545—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements of vacuum tubes using microengineered devices, e.g. field emission devices
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極電子放出（電界
効果型電子放出）機構を用いたスイッチに関し、特に、
光又は電磁波（マイクロ波）で開閉制御される電磁波駆
動型スイッチに関する。
効果型電子放出）機構を用いたスイッチに関し、特に、
光又は電磁波（マイクロ波）で開閉制御される電磁波駆
動型スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、真空管の電子放出源としては熱陰
極が用いられているが、陰極を予備加熱する必要がある
ため、エネルギー消費が大きく、また加熱部等の存在に
より半導体集積化ないし微小化に不向きな電子放出機構
になっている。このような問題を解決するため、昨今、
冷陰極型の電子放出素子が注目されてきており、幾つか
の提案がなされている。その中で、局部的に高電界を発
生させて電界放出を行なわせる電界効果型の電子放出素
子がある。
極が用いられているが、陰極を予備加熱する必要がある
ため、エネルギー消費が大きく、また加熱部等の存在に
より半導体集積化ないし微小化に不向きな電子放出機構
になっている。このような問題を解決するため、昨今、
冷陰極型の電子放出素子が注目されてきており、幾つか
の提案がなされている。その中で、局部的に高電界を発
生させて電界放出を行なわせる電界効果型の電子放出素
子がある。
【０００３】図７は電界効果型の電子放出素子の一例を
示す概略的部分断面図であり、図８（Ａ）〜（Ｄ）はそ
の製造方法を説明するための概略的工程断面図である。
示す概略的部分断面図であり、図８（Ａ）〜（Ｄ）はそ
の製造方法を説明するための概略的工程断面図である。
【０００４】この電子放出素子は、図７に示すように、
Ｓｉ等の半導体基板１の上に形成されたＭｏ等からなる
円錐形状の冷陰極２と、半導体基板１の上に形成された
絶縁膜（シリコン酸化膜）３のうち冷陰極２の周りに設
けられた開口部４と、絶縁膜３上に形成され開口部４へ
庇状に張り出したＭｏ等の制御電極５とを有している。
図示しない封止部材によって冷陰極２及び制御電極５は
真空雰囲気下におかれている。冷陰極２及び制御電極５
は電子放出部を構成しており、制御電極５に印加される
正電位によって冷陰極２の尖端に電界集中による強電界
が惹起されるため、冷陰極２の界面の仕事関数との合成
ポテンシャルの幅が細り、ショットキー効果による量子
力学的トンネリングで冷陰極２から電子が電界放出され
ることになる。この円錐形状の冷陰極２を備えた電界効
果型の電子放出素子は次のようにして製造される。
Ｓｉ等の半導体基板１の上に形成されたＭｏ等からなる
円錐形状の冷陰極２と、半導体基板１の上に形成された
絶縁膜（シリコン酸化膜）３のうち冷陰極２の周りに設
けられた開口部４と、絶縁膜３上に形成され開口部４へ
庇状に張り出したＭｏ等の制御電極５とを有している。
図示しない封止部材によって冷陰極２及び制御電極５は
真空雰囲気下におかれている。冷陰極２及び制御電極５
は電子放出部を構成しており、制御電極５に印加される
正電位によって冷陰極２の尖端に電界集中による強電界
が惹起されるため、冷陰極２の界面の仕事関数との合成
ポテンシャルの幅が細り、ショットキー効果による量子
力学的トンネリングで冷陰極２から電子が電界放出され
ることになる。この円錐形状の冷陰極２を備えた電界効
果型の電子放出素子は次のようにして製造される。
【０００５】まず、図８（Ａ）に示すように、Ｓｉ等の
半導体基板１の上にシリコン酸化膜の絶縁膜３を形成し
てから、その絶縁膜３の上にＭｏ層を形成した後、その
Ｍｏ層のパターニングを行い制御電極５を形成する。そ
して選択的にエッチングして開口部４を形成する。次
に、図８（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心として基
板１を回転させながら、一定の角度θだけ傾斜する端面
になるよう制御電極５上にＡｌを蒸着してＡｌ層６を形
成する。次に、図８（Ｃ）に示すように、基板１に対し
て垂直にＭｏを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。こ
の蒸着過程においては、ＭｏはＡｌ層６上及び基板１上
だけでなく、Ａｌ層６の側面にも積層されるので、Ａｌ
層６の開口部の直径はＭｏ層７の堆積に伴って徐々に縮
小していくと共に、基板１上に堆積されるＭｏ層の堆積
面積も縮小していく。このため、基板１上には円錐形状
の制御電極２が形成されることになる。次に、図８
（Ｄ）に示すように、堆積したＭｏ層７及びＡｌ層６を
除去し、円錐形状の冷陰極２とこの尖端に臨む端面の制
御電極５から成る電子放出部を有する電子放出素子が作
成される。
半導体基板１の上にシリコン酸化膜の絶縁膜３を形成し
てから、その絶縁膜３の上にＭｏ層を形成した後、その
Ｍｏ層のパターニングを行い制御電極５を形成する。そ
して選択的にエッチングして開口部４を形成する。次
に、図８（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心として基
板１を回転させながら、一定の角度θだけ傾斜する端面
になるよう制御電極５上にＡｌを蒸着してＡｌ層６を形
成する。次に、図８（Ｃ）に示すように、基板１に対し
て垂直にＭｏを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。こ
の蒸着過程においては、ＭｏはＡｌ層６上及び基板１上
だけでなく、Ａｌ層６の側面にも積層されるので、Ａｌ
層６の開口部の直径はＭｏ層７の堆積に伴って徐々に縮
小していくと共に、基板１上に堆積されるＭｏ層の堆積
面積も縮小していく。このため、基板１上には円錐形状
の制御電極２が形成されることになる。次に、図８
（Ｄ）に示すように、堆積したＭｏ層７及びＡｌ層６を
除去し、円錐形状の冷陰極２とこの尖端に臨む端面の制
御電極５から成る電子放出部を有する電子放出素子が作
成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】半導体製造プロセスを
用いた上記のような構造の電界効果型の電子放出素子に
おいては、予備加熱手段が不要であるばかりか、微細化
に適した構造であり、マイクロ真空管として注目されて
いるが、円錐形状の陰極２を形成する工程においては、
蒸着による開口部の自己絞り込みにより円錐状電極２が
形成されるため、円錐面の面精度や円錐高さ等に大きな
製造バラツキが発生し、歩留まりの低さにより実用化の
障害となっている。
用いた上記のような構造の電界効果型の電子放出素子に
おいては、予備加熱手段が不要であるばかりか、微細化
に適した構造であり、マイクロ真空管として注目されて
いるが、円錐形状の陰極２を形成する工程においては、
蒸着による開口部の自己絞り込みにより円錐状電極２が
形成されるため、円錐面の面精度や円錐高さ等に大きな
製造バラツキが発生し、歩留まりの低さにより実用化の
障害となっている。
【０００７】そこで、本出願人は先に特願平５−１６５
２６９を以て「力センサ，温度センサ及び温度・力セン
サ」を開示した。この出願においては、電界効果型の電
子放出素子の冷陰極として半導体基板上の同一平面内に
配向する櫛歯状の先端部を備えるものが示されている。
このような電子放出部の構造を有する素子によれば、通
常のフォトリソグラフィにより冷陰極を形成できるの
で、製造バラツキの低減を図ることができる。
２６９を以て「力センサ，温度センサ及び温度・力セン
サ」を開示した。この出願においては、電界効果型の電
子放出素子の冷陰極として半導体基板上の同一平面内に
配向する櫛歯状の先端部を備えるものが示されている。
このような電子放出部の構造を有する素子によれば、通
常のフォトリソグラフィにより冷陰極を形成できるの
で、製造バラツキの低減を図ることができる。
【０００８】しかしながら、上記のいずれの構造の冷陰
極型電子放出素子においても、電子放出先端部１個当た
りの電流値（放出電流密度）が小さく、大きな電流容量
を必要とするスイッチング・デバイスへの応用には不向
きである。
極型電子放出素子においても、電子放出先端部１個当た
りの電流値（放出電流密度）が小さく、大きな電流容量
を必要とするスイッチング・デバイスへの応用には不向
きである。
【０００９】そこで上記問題点に鑑み、本発明の課題
は、冷陰極型電子放出機構を用いた構造において放出さ
れた電子で電子倍増を行なわせることにより、通電電流
の大容量化が可能のスイッチを提供することにある。
は、冷陰極型電子放出機構を用いた構造において放出さ
れた電子で電子倍増を行なわせることにより、通電電流
の大容量化が可能のスイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、冷陰極電子放出機構と、これから放出さ
れた電子と電磁波と希薄ガス原子（分子）との相互作用
により電離電子（電子なだれ）を発生させる機構とを併
有する点に特徴がある。
に、本発明は、冷陰極電子放出機構と、これから放出さ
れた電子と電磁波と希薄ガス原子（分子）との相互作用
により電離電子（電子なだれ）を発生させる機構とを併
有する点に特徴がある。
【００１１】即ち、本発明の第１の手段は、印加される
電界によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部
と、陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める透光性封止
手段と、経路真空空間の電子に対し光波を断続的に照射
可能の光照射手段を有してなることを特徴とする。
電界によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部
と、陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める透光性封止
手段と、経路真空空間の電子に対し光波を断続的に照射
可能の光照射手段を有してなることを特徴とする。
【００１２】また、本発明の第２の手段は、印加される
電界によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部
と、陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める絶縁性封止
手段と、経路真空空間において陰極及び陽極が作る電界
の方向とは略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手
段と、経路真空空間に対し電磁波を断続的に照射可能の
電磁波照射手段とを有することを特徴とする。
電界によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部
と、陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める絶縁性封止
手段と、経路真空空間において陰極及び陽極が作る電界
の方向とは略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手
段と、経路真空空間に対し電磁波を断続的に照射可能の
電磁波照射手段とを有することを特徴とする。
【００１３】第１の手段を半導体製造プロセスを利用可
能に実現する構造としては、半導体基板上に形成された
凹部を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側
及び他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極
側に形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を
含む領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める
透光性封止手段と、経路真空空間に対し光波を断続的に
照射可能の光照射手段を有してなる構成が採用できる。
能に実現する構造としては、半導体基板上に形成された
凹部を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側
及び他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極
側に形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を
含む領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める
透光性封止手段と、経路真空空間に対し光波を断続的に
照射可能の光照射手段を有してなる構成が採用できる。
【００１４】第２の手段を半導体製造プロセスを利用可
能に実現する構造としては、半導体基板上に形成された
凹部を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側
及び他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極
側に形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を
含む領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める
絶縁性封止手段と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは
略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手段と、経路
真空空間に対し電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射
手段を有してなる構成が採用できる。
能に実現する構造としては、半導体基板上に形成された
凹部を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側
及び他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極
側に形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を
含む領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める
絶縁性封止手段と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは
略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手段と、経路
真空空間に対し電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射
手段を有してなる構成が採用できる。
【００１５】勿論、上記の各手段における陰極の形状と
しては、櫛歯状の先端部を有する形状とすることが望ま
しい。
しては、櫛歯状の先端部を有する形状とすることが望ま
しい。
【００１６】
【作用】本発明の原理は、冷陰極電子放出機構と、これ
から放出された電子と光波又は電磁波と希薄ガス原子
（分子）との相互作用により希薄ガス原子の電離による
電子なだれを発生させて大きな電流密度（通電電流）を
得ようとするものである。
から放出された電子と光波又は電磁波と希薄ガス原子
（分子）との相互作用により希薄ガス原子の電離による
電子なだれを発生させて大きな電流密度（通電電流）を
得ようとするものである。
【００１７】この希薄ガス原子の電離による電子なだれ
を発生させるためのメカニズムとしては、第１の手段に
おけるように、希薄ガス原子に加速された電子を衝突さ
せて原子を励起状態とし、この励起状態の原子に光子を
衝突させて電離させる場合や、第２の手段におけるよう
に、電子をサイクロトロン共鳴により加速し、この加速
電子を希薄ガス原子に衝突させて電離させる場合とがあ
る。
を発生させるためのメカニズムとしては、第１の手段に
おけるように、希薄ガス原子に加速された電子を衝突さ
せて原子を励起状態とし、この励起状態の原子に光子を
衝突させて電離させる場合や、第２の手段におけるよう
に、電子をサイクロトロン共鳴により加速し、この加速
電子を希薄ガス原子に衝突させて電離させる場合とがあ
る。
【００１８】まず本発明の第１の手段によれば、従来の
マイクロ真空管の基本構成に加えて、経路真空空間に希
薄ガスを封じ込める透光性封止手段と、経路真空空間に
対し光波を断続的に照射可能の光照射手段を設けたこと
を特徴としている。冷陰極から電界放出された電子は陽
極方向へ加速され、経路空間の希薄ガスの原子（分子）
と衝突するが、一般には電子のエネルギーは陽極電位を
相当の高電位としない限り弱いので、希薄ガスの原子の
軌道電子を解離（イオン化）するほどのエネルギーを浮
遊電子は担持していないものの、ある程度で加速された
電子ｅ* は希薄ガスの原子に衝突するとエネルギーを受
け渡すので、希薄ガスの原子Ｍは励起状態（Ｍ* ）に遷
移する。
マイクロ真空管の基本構成に加えて、経路真空空間に希
薄ガスを封じ込める透光性封止手段と、経路真空空間に
対し光波を断続的に照射可能の光照射手段を設けたこと
を特徴としている。冷陰極から電界放出された電子は陽
極方向へ加速され、経路空間の希薄ガスの原子（分子）
と衝突するが、一般には電子のエネルギーは陽極電位を
相当の高電位としない限り弱いので、希薄ガスの原子の
軌道電子を解離（イオン化）するほどのエネルギーを浮
遊電子は担持していないものの、ある程度で加速された
電子ｅ* は希薄ガスの原子に衝突するとエネルギーを受
け渡すので、希薄ガスの原子Ｍは励起状態（Ｍ* ）に遷
移する。
【００１９】 ｅ* ＋Ｍ→ｅ＋Ｍ* （１） 衝突散乱が完全弾性衝突とすれば、電子の運動エネルギ
ーがそっくり原子Ｍの励起エネルギーに転化する。次
に、この励起状態にある原子Ｍ* に対し、光照射手段の
駆動により光波（光子）が照射されると、励起原子Ｍ*
は光子エネルギーｈνを貰い受けるので、その光子エネ
ルギーｈνが解離エネルギー以上の場合には、原子の電
離によりイオン対（イオンと電離電子）が生成される。
ーがそっくり原子Ｍの励起エネルギーに転化する。次
に、この励起状態にある原子Ｍ* に対し、光照射手段の
駆動により光波（光子）が照射されると、励起原子Ｍ*
は光子エネルギーｈνを貰い受けるので、その光子エネ
ルギーｈνが解離エネルギー以上の場合には、原子の電
離によりイオン対（イオンと電離電子）が生成される。
【００２０】 Ｍ* ＋ｈν→Ｍ+ ＋ｅ （２） ここで、ｈはプランク定数、νは光波の波数である。従
って、式（１），（２）をまとめると、 ｅ* ＋Ｍ＋ｈν→２ｅ＋Ｍ+ （３） が成立し、陽極電位による電子加速の電場と、希薄ガス
の原子との衝突断面積（衝突確率）と、光子と励起原子
との衝突断面積との条件により数値的には異なるが、電
子倍増ないしキャリアの増加が生じる。解離電子がまた
式（３）によりイオン化を起こさせると、電子なだれを
生じさせる。このように倍増した電子は陽極に流れ込
み、またイオンは陰極で電子と再結合して希薄ガス原子
Ｍに戻る。
って、式（１），（２）をまとめると、 ｅ* ＋Ｍ＋ｈν→２ｅ＋Ｍ+ （３） が成立し、陽極電位による電子加速の電場と、希薄ガス
の原子との衝突断面積（衝突確率）と、光子と励起原子
との衝突断面積との条件により数値的には異なるが、電
子倍増ないしキャリアの増加が生じる。解離電子がまた
式（３）によりイオン化を起こさせると、電子なだれを
生じさせる。このように倍増した電子は陽極に流れ込
み、またイオンは陰極で電子と再結合して希薄ガス原子
Ｍに戻る。
【００２１】従って、陽極電流は電子のみによる電流値
に比し、倍増された値を持つことになり、光照射手段に
よる光照射をオン・オフさせることにより、通電電流の
大きなスイッチング機能がもたらされる。ここで、光照
射がオフのときは、それに同期させて電子放出を停止さ
せることにより（例えば制御電位を下げることによ
り）、オフ時のリーク電流値を抑制することができる
が、高速スイッチング動作を得るためには、電子放出系
をオン時と同等に維持しつつ、光照射のみをオフ・オフ
させるようにしても良い。
に比し、倍増された値を持つことになり、光照射手段に
よる光照射をオン・オフさせることにより、通電電流の
大きなスイッチング機能がもたらされる。ここで、光照
射がオフのときは、それに同期させて電子放出を停止さ
せることにより（例えば制御電位を下げることによ
り）、オフ時のリーク電流値を抑制することができる
が、高速スイッチング動作を得るためには、電子放出系
をオン時と同等に維持しつつ、光照射のみをオフ・オフ
させるようにしても良い。
【００２２】このように電子を種とし原子衝突と光解離
とを利用して電離電子によりキャリアを倍増する本発明
の第１手段によれば、電流密度の大容量化を図ることが
できるので、冷陰極の構造・形状が限定されず、その自
由度を高めることができる。
とを利用して電離電子によりキャリアを倍増する本発明
の第１手段によれば、電流密度の大容量化を図ることが
できるので、冷陰極の構造・形状が限定されず、その自
由度を高めることができる。
【００２３】これにより製造バラツキの抑制が可能とな
り、歩留りの高い電磁波駆動型スイッチを実現できる。
また、十分な通電電流値が得られるので、従来に比べ陽
極電位を低く抑制することも可能である。例えば、第１
手段の具体例としては、半導体基板上に形成された凹部
を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に
形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む
領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める透光
性封止手段と、経路真空空間に対し光波を断続的に照射
可能の光照射手段を有してなる構成を採用できる。ここ
で、陰極形状は円錐状とする必要がなく、膜状の陰極の
端部に近接した部位に制御電極を設けた構造であれば良
い。通常の半導体製造プロセスで形成可能であり、微細
化及び量産性に資する構造を実現できる。なお、陰極の
先端部を櫛歯状に形成することも通常のフォトリソグラ
フィで容易であり、また、かかる形状を採用することに
より、電子の電流値自体を大きくでき、製造バラツキの
低減も図ることができる。
り、歩留りの高い電磁波駆動型スイッチを実現できる。
また、十分な通電電流値が得られるので、従来に比べ陽
極電位を低く抑制することも可能である。例えば、第１
手段の具体例としては、半導体基板上に形成された凹部
を有する絶縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に
形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む
領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める透光
性封止手段と、経路真空空間に対し光波を断続的に照射
可能の光照射手段を有してなる構成を採用できる。ここ
で、陰極形状は円錐状とする必要がなく、膜状の陰極の
端部に近接した部位に制御電極を設けた構造であれば良
い。通常の半導体製造プロセスで形成可能であり、微細
化及び量産性に資する構造を実現できる。なお、陰極の
先端部を櫛歯状に形成することも通常のフォトリソグラ
フィで容易であり、また、かかる形状を採用することに
より、電子の電流値自体を大きくでき、製造バラツキの
低減も図ることができる。
【００２４】次に、本発明の第２の手段によれば、従来
のマイクロ真空管の基本構成に加えて、経路真空空間に
希薄ガスを封じ込める透光性封止手段と、経路真空空間
において陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する
方向に磁界を印加する磁界印加手段と、経路真空空間に
対し電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射手段とをを
設けたことに特徴がある。第２の手段においては、冷陰
極電子放出現象により荷電粒子たる電子を放出させてこ
れを電界で陽極側へ導きながら、その経路過程で直交磁
界によりサイクロトロン回転させて移動度（移動行程
長）を高めると共に、その回転軌跡の直交磁界の磁束密
度で決まるサイクロトロン角周波数ωc の値が電磁波照
射手段による電磁波の角周波数ωf の値と一致するとき
に生じるサイクロトロン共鳴現象によって回転電子に運
動エネルギーを繰り返し付与して加速せしめ、この加速
電子を希薄ガスに衝突させて電離によりイオン化させる
ことにより、倍増した電子が陽極で捕獲されると共にイ
オン粒子が陰極で捕獲され、サイクロトロン共鳴時（オ
ン時）には陽極に電子のみによる電流値に比べ大きな電
流を得ようとするものである。第１の手段と同様に、陰
極の界面では仕事関数との合成ポテンシャル幅が狭くな
るので、ショットキー効果（トンネル効果）により電子
が陰極から引き出される。因みに、ここで陰極から電界
放出される電子の電流密度ｊ は、次のファウラ・ノー
ドハイムの式（Fowler-Nordheim equation) で与えられ
る。
のマイクロ真空管の基本構成に加えて、経路真空空間に
希薄ガスを封じ込める透光性封止手段と、経路真空空間
において陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する
方向に磁界を印加する磁界印加手段と、経路真空空間に
対し電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射手段とをを
設けたことに特徴がある。第２の手段においては、冷陰
極電子放出現象により荷電粒子たる電子を放出させてこ
れを電界で陽極側へ導きながら、その経路過程で直交磁
界によりサイクロトロン回転させて移動度（移動行程
長）を高めると共に、その回転軌跡の直交磁界の磁束密
度で決まるサイクロトロン角周波数ωc の値が電磁波照
射手段による電磁波の角周波数ωf の値と一致するとき
に生じるサイクロトロン共鳴現象によって回転電子に運
動エネルギーを繰り返し付与して加速せしめ、この加速
電子を希薄ガスに衝突させて電離によりイオン化させる
ことにより、倍増した電子が陽極で捕獲されると共にイ
オン粒子が陰極で捕獲され、サイクロトロン共鳴時（オ
ン時）には陽極に電子のみによる電流値に比べ大きな電
流を得ようとするものである。第１の手段と同様に、陰
極の界面では仕事関数との合成ポテンシャル幅が狭くな
るので、ショットキー効果（トンネル効果）により電子
が陰極から引き出される。因みに、ここで陰極から電界
放出される電子の電流密度ｊ は、次のファウラ・ノー
ドハイムの式（Fowler-Nordheim equation) で与えられ
る。
【００２５】 ｊ＝ＢＥ0 2exp(−Ｃ／Ｅ0 ） （４） 但し、Ｅ0 は陰極界面での外部電界、Ｂ，Ｃは定数であ
る。この式は温度０°Ｋと仮定し、フェルミ準位以下の
電子が放出されるものとして計算した式であるが、温度
にあまり関係しないことが実験的に知られており、常温
以上でも通常用いられている。
る。この式は温度０°Ｋと仮定し、フェルミ準位以下の
電子が放出されるものとして計算した式であるが、温度
にあまり関係しないことが実験的に知られており、常温
以上でも通常用いられている。
【００２６】このように電界放出された電子は図５に示
すように陽極による電界ＥによりＸ方向へ引き寄せられ
て陽極へ移動（浮遊速度で移動）するが、この電界Ｅに
対してＺ方向の直交磁界（一様磁界）が電界印加手段に
より作られているので、電子は次式に示すサイクロトロ
ン角周波数ωc でＸＹ平面上を回転（円運動）する。
すように陽極による電界ＥによりＸ方向へ引き寄せられ
て陽極へ移動（浮遊速度で移動）するが、この電界Ｅに
対してＺ方向の直交磁界（一様磁界）が電界印加手段に
より作られているので、電子は次式に示すサイクロトロ
ン角周波数ωc でＸＹ平面上を回転（円運動）する。
【００２７】 ωc ＝ｅＢ／ｍ＝175.65Ｂ 〔GHz 〕 （５） 但し、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質量、Ｂは直交磁界
の磁束密度である。このサイクロトロン角周波数ωc は
電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例している。従
って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大きくな
り、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くなる。この
ように、電子は回転しながら陽極側へ移動しようとす
る。
の磁束密度である。このサイクロトロン角周波数ωc は
電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例している。従
って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大きくな
り、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くなる。この
ように、電子は回転しながら陽極側へ移動しようとす
る。
【００２８】かかる状態において、電子経路に電磁波照
射手段により電磁波が照射された場合（オン状態）、一
定の条件でサイクロトロン共鳴が起こる。即ち、電磁波
の角振動数ωf がサイクロトロン角周波数ωc に等し
く、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあるときには、電子
が照射電磁波によって最大に加速されるため、電子の回
転速度ｖは速くなり、次式で与えられる回転半径Ｒは徐
々に大きくなっていく。
射手段により電磁波が照射された場合（オン状態）、一
定の条件でサイクロトロン共鳴が起こる。即ち、電磁波
の角振動数ωf がサイクロトロン角周波数ωc に等し
く、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあるときには、電子
が照射電磁波によって最大に加速されるため、電子の回
転速度ｖは速くなり、次式で与えられる回転半径Ｒは徐
々に大きくなっていく。
【００２９】 Ｒ＝ｍｖ／（ｅＢ）＝ｖ／ωc （６） これによって電子は渦巻き形の軌跡を描きながら陽極に
向かうことになる。ここで、電子の経路真空空間に希薄
ガスが絶縁性封止手段によって封じ込まれている。この
ため、サイクロトロン共鳴によって加速された電子は希
薄ガスの分子（原子）Ｍの電離エネルギー以上の運動エ
ネルギーを獲得すると共に、螺旋運動による移動行程長
が長いので分子Ｍとの衝突断面積（衝突確率）が大きく
なり、分子Ｍとの衝突が発生して分子Ｍを電離させてイ
オン化すると共に、１又は２以上の電離電子を生じさせ
る。この電離電子はまた加速されて同様の電離を引き起
こすため、経路空間中には倍増した電子とイオンが指数
関数的に多量に生じ、電子は陽極に捕獲されると共に、
イオンは陰極に捕獲される。従って、非サイクロトロン
共鳴のとき（オフ時）には電子のみが陽極に捕獲されて
微弱な陽極電流となっているが、サイクロトロン共鳴の
とき（オン時）には倍増されたキャリアにより大きな陽
極電流が形成されることになるので、サイクロトロン共
鳴ではピーク電流が得られる。このように電子を種とし
サイクロトロン共鳴と原子衝突を利用して電離電子によ
りキャリアを倍増する本発明の第２手段においても、第
１の手段と同様に、電流密度の大容量化を図ることがで
き、製造バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電
磁波駆動型スイッチを実現できる。また、陽極電位を低
く抑制することも可能である。例えば、第２手段の具体
例としては、半導体基板上に形成された凹部を有する絶
縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び他方側に形
成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に形成された
制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む領域を真空
空間とし、これに希薄ガスを封じ込める絶縁性封止手段
と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する方向
に磁界を印加する磁界印加手段と、経路真空空間に対し
電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射手段を有してな
る構成が採用できる。なお、陰極の先端部を櫛歯状に形
成することも通常のフォトリソグラフィで容易であり、
電子の電流値自体を大きくでき、製造バラツキの低減も
図ることができる。
向かうことになる。ここで、電子の経路真空空間に希薄
ガスが絶縁性封止手段によって封じ込まれている。この
ため、サイクロトロン共鳴によって加速された電子は希
薄ガスの分子（原子）Ｍの電離エネルギー以上の運動エ
ネルギーを獲得すると共に、螺旋運動による移動行程長
が長いので分子Ｍとの衝突断面積（衝突確率）が大きく
なり、分子Ｍとの衝突が発生して分子Ｍを電離させてイ
オン化すると共に、１又は２以上の電離電子を生じさせ
る。この電離電子はまた加速されて同様の電離を引き起
こすため、経路空間中には倍増した電子とイオンが指数
関数的に多量に生じ、電子は陽極に捕獲されると共に、
イオンは陰極に捕獲される。従って、非サイクロトロン
共鳴のとき（オフ時）には電子のみが陽極に捕獲されて
微弱な陽極電流となっているが、サイクロトロン共鳴の
とき（オン時）には倍増されたキャリアにより大きな陽
極電流が形成されることになるので、サイクロトロン共
鳴ではピーク電流が得られる。このように電子を種とし
サイクロトロン共鳴と原子衝突を利用して電離電子によ
りキャリアを倍増する本発明の第２手段においても、第
１の手段と同様に、電流密度の大容量化を図ることがで
き、製造バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電
磁波駆動型スイッチを実現できる。また、陽極電位を低
く抑制することも可能である。例えば、第２手段の具体
例としては、半導体基板上に形成された凹部を有する絶
縁膜と、絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び他方側に形
成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に形成された
制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む領域を真空
空間とし、これに希薄ガスを封じ込める絶縁性封止手段
と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する方向
に磁界を印加する磁界印加手段と、経路真空空間に対し
電磁波を断続的に照射可能の電磁波照射手段を有してな
る構成が採用できる。なお、陰極の先端部を櫛歯状に形
成することも通常のフォトリソグラフィで容易であり、
電子の電流値自体を大きくでき、製造バラツキの低減も
図ることができる。
【００３０】
【実施例】次に、本発明の実施例に係る電磁波駆動型ス
イッチを添付図面に基づいて説明する。
イッチを添付図面に基づいて説明する。
【００３１】〔第１実施例〕図１（ａ）は本発明の第１
実施例に係る電磁波（光）駆動型スイッチの半導体チッ
プ部分を示す斜視図、図１（ｂ）は同スイッチの縦断面
図である。この光駆動型スイッチ１０は、シリコン基板
１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２と、
このシリコン酸化膜１２に形成された逆台形状断面の凹
部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの一方
に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステン製
冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷陰極
１３側に設けられた短冊状のモリブデン製ゲート電極
（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１２
ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタングステン製
陽極（アノード電極又はコレクタ電極））１５と、下面
に凹部１６ａを有し真空空間１７に希薄な窒素ガスを封
じ込める透明性封止部材（石英）１６と、この透明性封
止部材１６の外側に設けられて支持部材１９で支持さ
れ、透明性封止部材１６を介してその内側の希薄ガスの
空間１７にレーザ光を照射する半導体レーザ１８とを有
している。シリコン基板１１のサイズ（チップサイズ）
は２mm×２mmであり、陰極１３の厚さは0.2 μｍであ
る。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッチは６μｍ
であり、櫛歯数は２７０個程度である。従って、陰極１
３の幅は1.6mm 程度である。またゲート電極１４は厚さ
0.2 μｍ、電極幅３mm程度である。
実施例に係る電磁波（光）駆動型スイッチの半導体チッ
プ部分を示す斜視図、図１（ｂ）は同スイッチの縦断面
図である。この光駆動型スイッチ１０は、シリコン基板
１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２と、
このシリコン酸化膜１２に形成された逆台形状断面の凹
部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの一方
に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステン製
冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷陰極
１３側に設けられた短冊状のモリブデン製ゲート電極
（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１２
ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタングステン製
陽極（アノード電極又はコレクタ電極））１５と、下面
に凹部１６ａを有し真空空間１７に希薄な窒素ガスを封
じ込める透明性封止部材（石英）１６と、この透明性封
止部材１６の外側に設けられて支持部材１９で支持さ
れ、透明性封止部材１６を介してその内側の希薄ガスの
空間１７にレーザ光を照射する半導体レーザ１８とを有
している。シリコン基板１１のサイズ（チップサイズ）
は２mm×２mmであり、陰極１３の厚さは0.2 μｍであ
る。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッチは６μｍ
であり、櫛歯数は２７０個程度である。従って、陰極１
３の幅は1.6mm 程度である。またゲート電極１４は厚さ
0.2 μｍ、電極幅３mm程度である。
【００３２】更に、陽極１５は厚さ0.2 μｍ、電極幅1.
6mm 程度である。そして陰極１３とゲート電極１４の距
離は0.7 μｍ、陰極１３と陽極１５の距離は５μｍであ
る。真空空間１６ａ充填された希薄窒素ガス濃度は３×
１０-19 モルで、真空度6.67×10-6Paである。半導体レ
ーザー１８のレーザー光の波長は632.8 ｎｍである。
6mm 程度である。そして陰極１３とゲート電極１４の距
離は0.7 μｍ、陰極１３と陽極１５の距離は５μｍであ
る。真空空間１６ａ充填された希薄窒素ガス濃度は３×
１０-19 モルで、真空度6.67×10-6Paである。半導体レ
ーザー１８のレーザー光の波長は632.8 ｎｍである。
【００３３】本例ではゲート電極１４及び陽極１５の電
位を１５０Ｖに固定した。これにより、陰極１３から電
界放出により電子ｅが放出され、その電子は陽極１５方
向へ加速されて窒素ガスの原子（分子）Ｍと衝突し、エ
ネルギーを原子Ｍへ受け渡す。このため窒素ガスの原子
Ｍは励起状態（Ｃ3 Πu ）に遷移する。従って、空間１
７中には励起した原子Ｍ* が多数存在している。ここ
で、この励起状態にある原子Ｍ* に対し、半導体レーザ
１８の駆動により光波（光子）が照射されると、励起原
子Ｍ* は光子エネルギーｈνを貰い受けるので、その光
子エネルギーｈνが解離エネルギー以上の場合には、原
子の電離によりイオン対（イオンと電離電子）が生成さ
れる。これによって電子倍増ないしキャリアの増加が生
じ、倍増した電子は陽極に流れ込み、またイオンは陰極
で電子と再結合して希薄ガス原子Ｍに戻る。従って、陽
極電流は電子のみによる電流値に比し、倍増された値を
持つことになる。従って、図２に示すように、レーザ光
非照射のオフ時間においては、略セロの陽極電流である
のに対し、レーザ光照射のオン時間においては0.7 ｍＡ
の陽極電流（通電電流）が流れる。レーザ光照射をオン
・オフさせることにより、通電電流の大きなスイッチン
グ機能がもたらされる。
位を１５０Ｖに固定した。これにより、陰極１３から電
界放出により電子ｅが放出され、その電子は陽極１５方
向へ加速されて窒素ガスの原子（分子）Ｍと衝突し、エ
ネルギーを原子Ｍへ受け渡す。このため窒素ガスの原子
Ｍは励起状態（Ｃ3 Πu ）に遷移する。従って、空間１
７中には励起した原子Ｍ* が多数存在している。ここ
で、この励起状態にある原子Ｍ* に対し、半導体レーザ
１８の駆動により光波（光子）が照射されると、励起原
子Ｍ* は光子エネルギーｈνを貰い受けるので、その光
子エネルギーｈνが解離エネルギー以上の場合には、原
子の電離によりイオン対（イオンと電離電子）が生成さ
れる。これによって電子倍増ないしキャリアの増加が生
じ、倍増した電子は陽極に流れ込み、またイオンは陰極
で電子と再結合して希薄ガス原子Ｍに戻る。従って、陽
極電流は電子のみによる電流値に比し、倍増された値を
持つことになる。従って、図２に示すように、レーザ光
非照射のオフ時間においては、略セロの陽極電流である
のに対し、レーザ光照射のオン時間においては0.7 ｍＡ
の陽極電流（通電電流）が流れる。レーザ光照射をオン
・オフさせることにより、通電電流の大きなスイッチン
グ機能がもたらされる。
【００３４】このように本例においては、電子を種とし
原子衝突と光解離とを利用して電離電子によりキャリア
を倍増するものであるので、電流密度の大容量化を図る
ことができる。これは冷陰極１３の構造・形状が限定さ
れず、その自由度を高めることができる。従って、製造
バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電磁波駆動
型スイッチを実現できる。また、十分な通電電流値が得
られるので、従来に比べ陽極電位を低く抑制することも
可能である。本例においては陰極１３の先端部を櫛歯状
に形成してあるので、通常のフォトリソグラフィで容易
に製造でき、電子の電流値自体を大きくできると共に、
製造バラツキの低減も図ることができる。
原子衝突と光解離とを利用して電離電子によりキャリア
を倍増するものであるので、電流密度の大容量化を図る
ことができる。これは冷陰極１３の構造・形状が限定さ
れず、その自由度を高めることができる。従って、製造
バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電磁波駆動
型スイッチを実現できる。また、十分な通電電流値が得
られるので、従来に比べ陽極電位を低く抑制することも
可能である。本例においては陰極１３の先端部を櫛歯状
に形成してあるので、通常のフォトリソグラフィで容易
に製造でき、電子の電流値自体を大きくできると共に、
製造バラツキの低減も図ることができる。
【００３５】〔第２実施例〕図３（ａ）は本発明の第２
実施例に係る電磁波駆動型スイッチの半導体チップ部分
を示す斜視図、図３（ｂ）は同スイッチの縦断面図、図
４（ａ）は同スイッチの斜視図、図４（ｂ）は同スイッ
チの平面図である。この電磁波駆動型スイッチ２０は、
シリコン基板１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁
膜）１２と、このシリコン酸化膜１２に形成された逆台
形状断面の凹部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部
１２ａの一方に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタ
ングステン製冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２
ａ上の冷陰極１３側に設けられた短冊状のモリブデン製
ゲート電極（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上
で凹部１２ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタン
グステン製陽極（アノード電極又はコレクタ電極））１
５と、下面に凹部２６ａを有し真空空間１７に希薄な水
素ガスを封じ込める絶縁性封止部材（石英）２６と、シ
リコン基板１１及び絶縁性封止部材２６を上下に挟み込
み、陰極１３及び陽極１５が作る電界の方向とは略直交
する方向に磁界を印加する磁束密度１Ｔの磁石８（上部
Ｎ極，下部Ｓ極）２８と、半導体チップの正面及び背面
に平行電極２９ａ，２９ｂが設けられ、真空空間２８に
対してマイクロ波を照射する高周波発振器２９とを有し
ている。シリコン基板１１のサイズ（チップサイズ）は
２mm×２mmであり、陰極１３の厚さは0.2 μｍである。
先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッチは６μｍであ
り、櫛歯数は２７０個程度である。従って、陰極１３の
幅は1.6mm 程度である。またゲート電極１４は厚さ0.2
μｍ、電極幅1.6mm 程度で、電極長さは３μｍである。
更に、陽極１５は厚さ0.2 μｍ、電極幅1.6mm 程度であ
る。そして陰極１３とゲート電極１４の距離は0.7 μ
ｍ、陰極１３と陽極１５の距離は10μｍである。真空空
間１７内に充填された希薄水素ガス濃度は３×１０-19
モルであり、その真空度は6.67×１０-6Paである。
実施例に係る電磁波駆動型スイッチの半導体チップ部分
を示す斜視図、図３（ｂ）は同スイッチの縦断面図、図
４（ａ）は同スイッチの斜視図、図４（ｂ）は同スイッ
チの平面図である。この電磁波駆動型スイッチ２０は、
シリコン基板１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁
膜）１２と、このシリコン酸化膜１２に形成された逆台
形状断面の凹部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部
１２ａの一方に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタ
ングステン製冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２
ａ上の冷陰極１３側に設けられた短冊状のモリブデン製
ゲート電極（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上
で凹部１２ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタン
グステン製陽極（アノード電極又はコレクタ電極））１
５と、下面に凹部２６ａを有し真空空間１７に希薄な水
素ガスを封じ込める絶縁性封止部材（石英）２６と、シ
リコン基板１１及び絶縁性封止部材２６を上下に挟み込
み、陰極１３及び陽極１５が作る電界の方向とは略直交
する方向に磁界を印加する磁束密度１Ｔの磁石８（上部
Ｎ極，下部Ｓ極）２８と、半導体チップの正面及び背面
に平行電極２９ａ，２９ｂが設けられ、真空空間２８に
対してマイクロ波を照射する高周波発振器２９とを有し
ている。シリコン基板１１のサイズ（チップサイズ）は
２mm×２mmであり、陰極１３の厚さは0.2 μｍである。
先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッチは６μｍであ
り、櫛歯数は２７０個程度である。従って、陰極１３の
幅は1.6mm 程度である。またゲート電極１４は厚さ0.2
μｍ、電極幅1.6mm 程度で、電極長さは３μｍである。
更に、陽極１５は厚さ0.2 μｍ、電極幅1.6mm 程度であ
る。そして陰極１３とゲート電極１４の距離は0.7 μ
ｍ、陰極１３と陽極１５の距離は10μｍである。真空空
間１７内に充填された希薄水素ガス濃度は３×１０-19
モルであり、その真空度は6.67×１０-6Paである。
【００３６】陰極１３には零又は負の電位を、ゲート電
極１４には正の電位を、陽極１３にはゲート電位よりも
高い正の電位を印加すると、ゲート電極１４の電界によ
り陰極１３の界面でのタングステンの仕事関数との合成
ポテンシャル幅が狭くなるので、ショットキー効果（ト
ンネル効果）により電子が陰極１から引き出される。
極１４には正の電位を、陽極１３にはゲート電位よりも
高い正の電位を印加すると、ゲート電極１４の電界によ
り陰極１３の界面でのタングステンの仕事関数との合成
ポテンシャル幅が狭くなるので、ショットキー効果（ト
ンネル効果）により電子が陰極１から引き出される。
【００３７】ここで陰極１からＸ方向へ電界放出される
電子の電流密度は、温度にあまり関係しないことが実験
的に知られており、高温下や放射線被曝下においても定
常的な値を示す。なお、本例においては、陰極１３の櫛
歯状のそれぞれの端面はゲート電極に対して平等である
ため、いずれの端面における電流密度も相等しくなる。
電子の電流密度は、温度にあまり関係しないことが実験
的に知られており、高温下や放射線被曝下においても定
常的な値を示す。なお、本例においては、陰極１３の櫛
歯状のそれぞれの端面はゲート電極に対して平等である
ため、いずれの端面における電流密度も相等しくなる。
【００３８】従って、電界放出のしきい値電圧が略一定
となるため、電子引出し初速度が均一化している。
となるため、電子引出し初速度が均一化している。
【００３９】このように電界放出された電子は図５に示
すように陽極１５による電界Ｅにより引き寄せられて陽
極１５方向へ移動するが、電子経路の真空空間１７にお
いては、この電界Ｅに対して直交磁界（一様磁界）Ｂが
電磁石２８により作られているので、電子はサイクロト
ロン角周波数ωc でＸＹ平面上を回転する。このサイク
ロトロン角周波数ωc は電子速度ｖに関係せず、磁束密
度Ｂに比例している。
すように陽極１５による電界Ｅにより引き寄せられて陽
極１５方向へ移動するが、電子経路の真空空間１７にお
いては、この電界Ｅに対して直交磁界（一様磁界）Ｂが
電磁石２８により作られているので、電子はサイクロト
ロン角周波数ωc でＸＹ平面上を回転する。このサイク
ロトロン角周波数ωc は電子速度ｖに関係せず、磁束密
度Ｂに比例している。
【００４０】従って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数
ωc が大きくなり、電子の回転軌跡長（移動行程長）が
長くなる。このように、電子は回転しながら陽極１５側
へ移動する。かかる状態において、電子経路に高周波発
振器２９からの変位電流（電磁波）が照射されると（オ
ン時）、その電磁波の角振動数ωf がサイクロトロン角
周波数ωc に等しく、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあ
るときには、電子が到来電磁波によって最大に加速され
るため、電子の回転速度は速くなり、回転半径Ｒは徐々
に大きくなっていく。これによって電子は渦巻き形の軌
跡を描きながら陽極１５に向かうことになる。このサイ
クロトロン共鳴が起こると、電子が加速されることにな
るため、この加速電子と希薄水素ガスの分子Ｍとの衝突
による電離で分子Ｍを電離させてイオン化する共に、１
個の電離電子を生じさせる。この電離電子はまた加速さ
れて同様の電離を引き起こすため、経路空間中には倍増
した電子とイオンが指数関数的に多量に生じることとな
る。倍増した電子は陽極１５に捕獲されると共に、イオ
ン（水素原子核）は陰極１に捕獲されて再結合する。
ωc が大きくなり、電子の回転軌跡長（移動行程長）が
長くなる。このように、電子は回転しながら陽極１５側
へ移動する。かかる状態において、電子経路に高周波発
振器２９からの変位電流（電磁波）が照射されると（オ
ン時）、その電磁波の角振動数ωf がサイクロトロン角
周波数ωc に等しく、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあ
るときには、電子が到来電磁波によって最大に加速され
るため、電子の回転速度は速くなり、回転半径Ｒは徐々
に大きくなっていく。これによって電子は渦巻き形の軌
跡を描きながら陽極１５に向かうことになる。このサイ
クロトロン共鳴が起こると、電子が加速されることにな
るため、この加速電子と希薄水素ガスの分子Ｍとの衝突
による電離で分子Ｍを電離させてイオン化する共に、１
個の電離電子を生じさせる。この電離電子はまた加速さ
れて同様の電離を引き起こすため、経路空間中には倍増
した電子とイオンが指数関数的に多量に生じることとな
る。倍増した電子は陽極１５に捕獲されると共に、イオ
ン（水素原子核）は陰極１に捕獲されて再結合する。
【００４１】従って、非サイクロトロン共鳴のとき（オ
フ時）には電子のみが陽極に捕獲されて微弱な陽極電流
となっているが、サイクロトロン共鳴のとき（オン時）
には倍増されたキャリアにより大きな陽極電流（通電電
流）が形成されていることになる。
フ時）には電子のみが陽極に捕獲されて微弱な陽極電流
となっているが、サイクロトロン共鳴のとき（オン時）
には倍増されたキャリアにより大きな陽極電流（通電電
流）が形成されていることになる。
【００４２】図６の実線は従来例におけるゲート電圧に
対する電子放出のみによる陽極電流の変化を示し、その
破線は175.65GHz の高周波を照射した場合におけるゲー
ト電圧に対する陽極電流の変化を示す。この図から明ら
かなように、ゲート電圧２００Ｖにおいて電磁波照射の
ときは従来に比べ１桁以上陽極電流の値が増加してお
り、サイクロトロン共鳴による加速と電離によるチャリ
アの倍増が有効的に作用している。
対する電子放出のみによる陽極電流の変化を示し、その
破線は175.65GHz の高周波を照射した場合におけるゲー
ト電圧に対する陽極電流の変化を示す。この図から明ら
かなように、ゲート電圧２００Ｖにおいて電磁波照射の
ときは従来に比べ１桁以上陽極電流の値が増加してお
り、サイクロトロン共鳴による加速と電離によるチャリ
アの倍増が有効的に作用している。
【００４３】このように本例においては、第１実施例と
ほぼ同様な効果を得ることができる。なお、本例では磁
石として永久磁石を用いてあるが、これに限らず電磁石
を用いることもできる。なお、実施例１及び実施例２の
基本構造をセル化し、半導体チップ上に多数のセルを形
成することもできる。
ほぼ同様な効果を得ることができる。なお、本例では磁
石として永久磁石を用いてあるが、これに限らず電磁石
を用いることもできる。なお、実施例１及び実施例２の
基本構造をセル化し、半導体チップ上に多数のセルを形
成することもできる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、冷陰極
電子放出機構と、これから放出された電子と光波又は電
磁波と希薄ガス原子（分子）との相互作用により希薄ガ
ス原子の電離による電子なだれを発生させて大きな電流
密度（通電電流）を得ようとするものである。従って、
次の効果を奏する。
電子放出機構と、これから放出された電子と光波又は電
磁波と希薄ガス原子（分子）との相互作用により希薄ガ
ス原子の電離による電子なだれを発生させて大きな電流
密度（通電電流）を得ようとするものである。従って、
次の効果を奏する。
【００４５】 電流密度（通電電流）の大容量化を図
ることができるので、冷陰極の構造・形状が限定され
ず、その自由度を高めることができる。これにより製造
バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電磁波駆動
型スイッチを実現できる。
ることができるので、冷陰極の構造・形状が限定され
ず、その自由度を高めることができる。これにより製造
バラツキの抑制が可能となり、歩留りの高い電磁波駆動
型スイッチを実現できる。
【００４６】 また、十分な通電電流値が得られるの
で、従来に比べ陽極電位を低く抑制することも可能であ
る。
で、従来に比べ陽極電位を低く抑制することも可能であ
る。
【００４７】 電磁波の照射と非照射によるスイッチ
がオン・オフされるため、高速スイッチングが可能であ
る。
がオン・オフされるため、高速スイッチングが可能であ
る。
【００４８】 陰極の先端部を櫛歯状に形成した構造
においては、通常のフォトリソグラフィで容易に形成で
き、製造バラツキの低減も図ることができる。
においては、通常のフォトリソグラフィで容易に形成で
き、製造バラツキの低減も図ることができる。
【図１】（ａ）は本発明の第１実施例に係る電磁波
（光）駆動型スイッチの半導体チップ部分を示す斜視図
であり、（ｂ）は同スイッチの縦断面図である。
（光）駆動型スイッチの半導体チップ部分を示す斜視図
であり、（ｂ）は同スイッチの縦断面図である。
【図２】第１実施例におけるレーザ照射と陽極電流のオ
フ・オフ動作を示すタイミングートである。
フ・オフ動作を示すタイミングートである。
【図３】（ａ）は本発明の第２実施例に係る電磁波駆動
型スイッチの半導体チップ部分を示す斜視図であり、
（ｂ）は同スイッチの縦断面図である。
型スイッチの半導体チップ部分を示す斜視図であり、
（ｂ）は同スイッチの縦断面図である。
【図４】（ａ）は同スイッチの斜視図であり、（ｂ）は
同スイッチの平面図である。
同スイッチの平面図である。
【図５】第２実施例におけるサイクロトロン共鳴の様子
を示す模式図図である。
を示す模式図図である。
【図６】第２実施例におけるゲート電圧に対する陽極電
流の変換を示すグラフである。
流の変換を示すグラフである。
【図７】従来の電界効果型の電子放出素子の一例を示す
概略的部分断面図である。
概略的部分断面図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）はその電界効果型の電子放出素
子の製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
子の製造方法を説明するための概略的工程断面図であ
る。
１０…電磁波（光）駆動型スイッチ １１…シリコン基板 １２…絶縁膜 １２ａ…凹部 １３…櫛歯状の先端を有する冷陰極 １４…ゲート電極 １５…陽極 １６…透明性封止部材 １６ａ…凹部 １７…真空空間 １８…半導体レーザ １９…支持部材 ２０…電磁波（マイクロ波）駆動型スイッチ Ｍ…希薄ガスの分子（原子） ２６…絶縁性封止部材 ２６ａ…凹部 ２８…磁石 ２９…高周波発振器 ｅ…電子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 21/02 H01J 21/18
Claims (5)
- 【請求項１】 印加される電界によって電子を放出する
冷陰極を備える電子放出部と、前記陰極からの電子を経
路真空空間を介して捕獲する陽極と、前記経路真空空間
に希薄ガスを封じ込める透光性封止手段と、前記経路真
空空間に対し光波を断続的に照射可能の光照射手段を有
してなることを特徴とする電磁波駆動型スイッチ。 - 【請求項２】 印加される電界によって電子を放出する
冷陰極を備える電子放出部と、前記陰極からの電子を経
路真空空間を介して捕獲する陽極と、前記経路真空空間
に希薄ガスを封じ込める絶縁性封止手段と、前記経路真
空空間において前記陰極及び前記陽極が作る電界の方向
とは略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手段と、
前記経路真空空間に対し電磁波を断続的に照射可能の電
磁波照射手段とを有することを特徴とする電磁波駆動型
スイッチ。 - 【請求項３】 半導体基板上に形成された凹部を有する
絶縁膜と、前記絶縁膜上で前記凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、前記凹部上の前記
陰極側に形成された制御電極と、前記陰極，前記陽極及
び前記制御電極を含む領域を真空空間とし、これに希薄
ガスを封じ込める透光性封止手段と、前記経路真空空間
に対し光波を断続的に照射可能の光照射手段を有してな
ることを特徴とする電磁波駆動型スイッチ。 - 【請求項４】 半導体基板上に形成された凹部を有する
絶縁膜と、前記絶縁膜上で前記凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、前記凹部上の前記
陰極側に形成された制御電極と、前記陰極，前記陽極及
び前記制御電極を含む領域を真空空間とし、これに希薄
ガスを封じ込める絶縁性封止手段と、前記陰極及び前記
陽極が作る電界の方向とは略直交する方向に磁界を印加
する磁界印加手段と、前記経路真空空間に対し電磁波を
断続的に照射可能の電磁波照射手段とを有してなること
を特徴とする電磁波駆動型スイッチ。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に
おいて、前記陰極は櫛歯状の先端部を有してなることを
特徴とする電磁波駆動型スイッチ。
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|---|---|---|---|
| JP05185414A JP3075024B2 (ja) | 1993-07-28 | 1993-07-28 | 電磁波駆動型スイッチ |
| US08/279,163 US5631524A (en) | 1993-07-28 | 1994-07-22 | Switching apparatus |
| DE4426594A DE4426594C2 (de) | 1993-07-28 | 1994-07-27 | Schaltvorrichtung |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05185414A JP3075024B2 (ja) | 1993-07-28 | 1993-07-28 | 電磁波駆動型スイッチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0745205A JPH0745205A (ja) | 1995-02-14 |
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Family
ID=16170376
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP05185414A Expired - Fee Related JP3075024B2 (ja) | 1993-07-28 | 1993-07-28 | 電磁波駆動型スイッチ |
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| JP2004146364A (ja) * | 2002-09-30 | 2004-05-20 | Ngk Insulators Ltd | 発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイ |
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| US8810161B2 (en) | 2011-12-29 | 2014-08-19 | Elwha Llc | Addressable array of field emission devices |
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| US8946992B2 (en) | 2011-12-29 | 2015-02-03 | Elwha Llc | Anode with suppressor grid |
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| US9659735B2 (en) | 2012-09-12 | 2017-05-23 | Elwha Llc | Applications of graphene grids in vacuum electronics |
| CN103546130B (zh) * | 2013-10-17 | 2016-01-20 | 华中科技大学 | 一种真空触发开关 |
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| US10665402B2 (en) | 2018-02-08 | 2020-05-26 | General Electric Company | High voltage, cross-field, gas switch and method of operation |
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| CN111510124B (zh) * | 2020-03-20 | 2023-03-24 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种磁偏置弱光触发大功率光导开关 |
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|---|---|---|---|---|
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| US3811070A (en) * | 1972-10-25 | 1974-05-14 | Westinghouse Electric Corp | Laser initiated three electrode type triggered vacuum gap device |
| DE2705488A1 (de) * | 1977-02-10 | 1978-08-17 | Bosch Gmbh Robert | Steuerbare elektrische hochspannungsschalteinrichtung |
| US4091310A (en) * | 1977-05-17 | 1978-05-23 | Hughes Aircraft Company | Method and apparatus for on-switching in a crossed-field switch device against high voltage |
| DE3721529A1 (de) * | 1987-06-30 | 1989-01-12 | Christiansen Jens | Triggerung und isolation von pseudofunkenschaltern |
| US5217401A (en) * | 1989-07-07 | 1993-06-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method of manufacturing a field-emission type switching device |
| JPH03261040A (ja) * | 1990-03-09 | 1991-11-20 | Mitsubishi Electric Corp | マイクロ真空管およびその製造方法 |
| US5336975A (en) * | 1992-10-20 | 1994-08-09 | Hughes Aircraft Company | Crossed-field plasma switch with high current density axially corrogated cathode |
-
1993
- 1993-07-28 JP JP05185414A patent/JP3075024B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-07-22 US US08/279,163 patent/US5631524A/en not_active Expired - Fee Related
- 1994-07-27 DE DE4426594A patent/DE4426594C2/de not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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| US5631524A (en) | 1997-05-20 |
| DE4426594C2 (de) | 2003-08-28 |
| JPH0745205A (ja) | 1995-02-14 |
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