JPH0139616B2 - - Google Patents
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- JPH0139616B2 JPH0139616B2 JP3492380A JP3492380A JPH0139616B2 JP H0139616 B2 JPH0139616 B2 JP H0139616B2 JP 3492380 A JP3492380 A JP 3492380A JP 3492380 A JP3492380 A JP 3492380A JP H0139616 B2 JPH0139616 B2 JP H0139616B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
- H01J1/308—Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers
Description
【発明の詳細な説明】
多くの真空管に用いられる熱陰極は、立上り時
間が数秒ないし数十秒を要し、得られる電子流に
比較して極めて多い駆動電流を要する欠点があ
る。
間が数秒ないし数十秒を要し、得られる電子流に
比較して極めて多い駆動電流を要する欠点があ
る。
そこで従来から、半導体内に電界を加えて、半
導体内の電子を加速し、真空中に放出させる冷陰
極について研究されていたが、放出する電子が少
いため実用に供し得ないものであつた。また、複
雑な半導体構造を必要とするため製造が困難であ
つた。
導体内の電子を加速し、真空中に放出させる冷陰
極について研究されていたが、放出する電子が少
いため実用に供し得ないものであつた。また、複
雑な半導体構造を必要とするため製造が困難であ
つた。
冷電子放出電極は、電子を供給する部分と、電
子を表面まで移動する部分と、真空中に容易に放
出する表面からなる。従つて、従来より、第１図
に示すような構造が採られていた。すなわち、電
子を供給する部分としてｎ型半導体基板１１、電
子が移動する部分として、上記ｎ型半導体層１１
に接合したｐ型半導体層１２、電子が真空中に容
易に放出する表面として、ｐ型半導体１２の表面
に形成したアルカリ金属の薄層１３、ｎ型半導体
層１１、ｐ型半導体層１２およびそれらの接合部
に電界を生ぜしめるためにｎ型半導体基板１１と
ｐ型半導体層１２に設けたオーミツク電極１４と
１５、順方向バイアス電源１６からなる構造を有
するものである。
子を表面まで移動する部分と、真空中に容易に放
出する表面からなる。従つて、従来より、第１図
に示すような構造が採られていた。すなわち、電
子を供給する部分としてｎ型半導体基板１１、電
子が移動する部分として、上記ｎ型半導体層１１
に接合したｐ型半導体層１２、電子が真空中に容
易に放出する表面として、ｐ型半導体１２の表面
に形成したアルカリ金属の薄層１３、ｎ型半導体
層１１、ｐ型半導体層１２およびそれらの接合部
に電界を生ぜしめるためにｎ型半導体基板１１と
ｐ型半導体層１２に設けたオーミツク電極１４と
１５、順方向バイアス電源１６からなる構造を有
するものである。
ところが、一般に上述の条件のみでは、十分な
電子放出が得られないため、次のような改善が
個々に提案されていた。すなわち、(イ)ｎ型半導体
基板１１からｐ型半導体層１２へ電子を十分注入
するようにｎ型半導体基板１１の不純物濃度をｐ
型半導体層１２の不純物濃度より高くする。(ロ)ｐ
型半導体層１２に注入した電子を再結合すること
なく表面に移動させるために可能な限りｐ型半導
体層１２を薄くし、かつ良好な結晶性で形成す
る。(ハ)表面から真空への放出確率を高くするため
にｐ型半導体層１２の不純物濃度を高くすること
が考えられていた。しかし、(イ)の条件と(ハ)の条件
は同時に満足することができないことは明らかで
あり、良好な結晶性を得る手段は液相エピタキシ
ヤル成長法であるが、薄い層を得ることが困難で
あるから(ロ)の条件を共に満すことができない。さ
らに、液相エピタキシヤル成長法によれば高濃度
のｐ型半導体層１２を得ることが困難であるか
ら、(ハ)の条件を満足することができない。このた
め、クレツセル等がジヤーナル・オブ・ルミネセ
ンス（1973年）７号に報告した例では、ｎ型半導
体基板１１をアルミニウム・ガリウム・燐で、ｐ
型半導体層１２をガリウム砒素で構成し、禁止帯
幅の差を利用して、(イ)の目的を満足しようとして
いるが、それでも、得られる放出電子流はたかだ
かバイアス電流の４パーセント程度であつた。し
かも、アルミニウム・ガリウム・燐とガリウム・
砒素は、結晶の格子定数および熱膨張係数が完全
には一致しないから、良好な接合を得ることが難
しい。その他の公表された例の放出効率も、上記
の例より低い。
電子放出が得られないため、次のような改善が
個々に提案されていた。すなわち、(イ)ｎ型半導体
基板１１からｐ型半導体層１２へ電子を十分注入
するようにｎ型半導体基板１１の不純物濃度をｐ
型半導体層１２の不純物濃度より高くする。(ロ)ｐ
型半導体層１２に注入した電子を再結合すること
なく表面に移動させるために可能な限りｐ型半導
体層１２を薄くし、かつ良好な結晶性で形成す
る。(ハ)表面から真空への放出確率を高くするため
にｐ型半導体層１２の不純物濃度を高くすること
が考えられていた。しかし、(イ)の条件と(ハ)の条件
は同時に満足することができないことは明らかで
あり、良好な結晶性を得る手段は液相エピタキシ
ヤル成長法であるが、薄い層を得ることが困難で
あるから(ロ)の条件を共に満すことができない。さ
らに、液相エピタキシヤル成長法によれば高濃度
のｐ型半導体層１２を得ることが困難であるか
ら、(ハ)の条件を満足することができない。このた
め、クレツセル等がジヤーナル・オブ・ルミネセ
ンス（1973年）７号に報告した例では、ｎ型半導
体基板１１をアルミニウム・ガリウム・燐で、ｐ
型半導体層１２をガリウム砒素で構成し、禁止帯
幅の差を利用して、(イ)の目的を満足しようとして
いるが、それでも、得られる放出電子流はたかだ
かバイアス電流の４パーセント程度であつた。し
かも、アルミニウム・ガリウム・燐とガリウム・
砒素は、結晶の格子定数および熱膨張係数が完全
には一致しないから、良好な接合を得ることが難
しい。その他の公表された例の放出効率も、上記
の例より低い。
本発明は、より高い放出効率すなわち10〜15パ
ーセントの放出効率が得られる冷電子放出陰極の
構造に関するものである。
ーセントの放出効率が得られる冷電子放出陰極の
構造に関するものである。
すなわち、前述の第１図に示した冷陰極におい
てｎ型半導体基板１１に高抵抗のものを用い、ｐ
型半導体層１２に低抵抗のものを用いることによ
つて、ｐ型半導体層１２からｎ型半導体基板１１
に注入された正孔によつて、空間電荷を生ぜしめ
ることにより、正孔流を制限し、その結果ｎ型半
導体基板１１よりｐ型半導体層１２へ注入する電
子流の比率を増し、それによつて高い電子の放出
効率を得ることができるものである。
てｎ型半導体基板１１に高抵抗のものを用い、ｐ
型半導体層１２に低抵抗のものを用いることによ
つて、ｐ型半導体層１２からｎ型半導体基板１１
に注入された正孔によつて、空間電荷を生ぜしめ
ることにより、正孔流を制限し、その結果ｎ型半
導体基板１１よりｐ型半導体層１２へ注入する電
子流の比率を増し、それによつて高い電子の放出
効率を得ることができるものである。
以下に本発明の実施例を説明する。第２図は、
本発明の冷電子放出陰極の実施例の断面構造を示
す図である。２１はｎ型導電性のガリウム・燐か
らなる基板で、キヤリヤ濃度３×1017cm-3、比抵
抗0.2Ω・cm、その大きさと形状は１mm×１mmの
正方形をなし、厚さ350μｍである。２７はｎ型
導電性基板２１の上に、その中心の円形部分２８
を除いてエピタキシヤル法によつて形成された高
抵抗のｐ型導電性のガリウム燐からなる層で、実
質的に絶縁層として働き、従つてｎ型導電性基板
２１を流れるバイアス電流は矢印ａに示すように
その円形部分２８に集中して流れる。円形部分２
８は直径50μｍである。２９は基板２１および絶
縁層２７の上にエピタキシヤル成長させたｎ型導
電性のガリウム燐からなる層で、厚さ5μｍ、１
×1016cm-3のキヤリヤ濃度をもち比抵抗2Ω・cmで
ある。２２はｎ型導電性の層２９にZnを深さ0.2μ
ｍまで拡散した不純物濃度５×1019cm-3のｐ型導
電性の層で比抵抗0.01Ω・cmである。２４は円形
部分２８と同心の直径400μｍの環状をなすアル
ミニウムを蒸着した電極でｐ型導電層２２のオー
ミツク電極である。２３はｐ型導電層のオーミツ
ク電極２４以外の部分、特にオーミツク電極２４
に囲まれた円形の部分に形成されたセシウム層で
負の電子親和力をもつ界面、すなわちｐ型導電層
２２の伝導帯の底のレベルを真空中のレベルより
も高くして電子が真空中に放出し易い表面をな
す。２５は金にゲルマニウムを数パーセント含ん
だ合金を蒸着して形成したｎ型半導体基板２１の
オーミツク電極である。それぞれのオーミツク電
極２４と２５は数ボルトの直流電源２６に接続し
てあり、冷電子放出陰極２のｎ型半導体層２１と
ｐ型半導体層２２に順方向バイアス電圧が加えら
れている。上述のような冷電子放出陰極２を陽極
３と共に真空気密容器４に封入し、上記気密容器
４の壁を貫く導入線４１，４２および４３を介し
て、冷電子放出陰極２に容器４の外にある電源２
６より順方向２ボルトの電圧を加え、陽極３を冷
電子放出陰極２に対して数十ボルトの電圧に保つ
たとき、バイアス電流が600μA流れて陽極３に
75μAの電子流が捕集された。しかも、この電子
放出は環状の電極２４の中心の直径50μｍの部分
から放出する。従つて、冷電子放出陰極２の表面
から放出する電子流の密度は3.8A／cm2、電子放
出効率は12.5パーセントである。この電子放出効
率は、前述の例に比べて極めて高く、かつ、ビジ
コン等の撮像管のターゲツト走査ビーム電流に要
求される10μAを十分に満し、さらに、小型のブ
ラウン管の走査ビーム電流としても利用できる。
また上記の放出電子ビームの直径50μｍは、撮像
管等に要求される放出電子ビームの直径にほぼ等
しいからアパーチヤを有する加速電極を必要とし
ない。なお、バイアス電圧を増加すればより大き
な放出電子流を得ることができる。
本発明の冷電子放出陰極の実施例の断面構造を示
す図である。２１はｎ型導電性のガリウム・燐か
らなる基板で、キヤリヤ濃度３×1017cm-3、比抵
抗0.2Ω・cm、その大きさと形状は１mm×１mmの
正方形をなし、厚さ350μｍである。２７はｎ型
導電性基板２１の上に、その中心の円形部分２８
を除いてエピタキシヤル法によつて形成された高
抵抗のｐ型導電性のガリウム燐からなる層で、実
質的に絶縁層として働き、従つてｎ型導電性基板
２１を流れるバイアス電流は矢印ａに示すように
その円形部分２８に集中して流れる。円形部分２
８は直径50μｍである。２９は基板２１および絶
縁層２７の上にエピタキシヤル成長させたｎ型導
電性のガリウム燐からなる層で、厚さ5μｍ、１
×1016cm-3のキヤリヤ濃度をもち比抵抗2Ω・cmで
ある。２２はｎ型導電性の層２９にZnを深さ0.2μ
ｍまで拡散した不純物濃度５×1019cm-3のｐ型導
電性の層で比抵抗0.01Ω・cmである。２４は円形
部分２８と同心の直径400μｍの環状をなすアル
ミニウムを蒸着した電極でｐ型導電層２２のオー
ミツク電極である。２３はｐ型導電層のオーミツ
ク電極２４以外の部分、特にオーミツク電極２４
に囲まれた円形の部分に形成されたセシウム層で
負の電子親和力をもつ界面、すなわちｐ型導電層
２２の伝導帯の底のレベルを真空中のレベルより
も高くして電子が真空中に放出し易い表面をな
す。２５は金にゲルマニウムを数パーセント含ん
だ合金を蒸着して形成したｎ型半導体基板２１の
オーミツク電極である。それぞれのオーミツク電
極２４と２５は数ボルトの直流電源２６に接続し
てあり、冷電子放出陰極２のｎ型半導体層２１と
ｐ型半導体層２２に順方向バイアス電圧が加えら
れている。上述のような冷電子放出陰極２を陽極
３と共に真空気密容器４に封入し、上記気密容器
４の壁を貫く導入線４１，４２および４３を介し
て、冷電子放出陰極２に容器４の外にある電源２
６より順方向２ボルトの電圧を加え、陽極３を冷
電子放出陰極２に対して数十ボルトの電圧に保つ
たとき、バイアス電流が600μA流れて陽極３に
75μAの電子流が捕集された。しかも、この電子
放出は環状の電極２４の中心の直径50μｍの部分
から放出する。従つて、冷電子放出陰極２の表面
から放出する電子流の密度は3.8A／cm2、電子放
出効率は12.5パーセントである。この電子放出効
率は、前述の例に比べて極めて高く、かつ、ビジ
コン等の撮像管のターゲツト走査ビーム電流に要
求される10μAを十分に満し、さらに、小型のブ
ラウン管の走査ビーム電流としても利用できる。
また上記の放出電子ビームの直径50μｍは、撮像
管等に要求される放出電子ビームの直径にほぼ等
しいからアパーチヤを有する加速電極を必要とし
ない。なお、バイアス電圧を増加すればより大き
な放出電子流を得ることができる。
本発明の冷電子放出陰極２が、上述のように優
れた電子放出効率を示す理由は、次のように理解
される。すなわち、冷電子放出陰極２に順方向バ
イアス電圧が印加されたとき、第２図に示す円形
部分２８に対応するｐ型導電層２２とｎ型導電層
２９との接合部において、ｐ型導電層２２からｎ
型導電層２９へ正孔が、ｎ型導電層２９からｐ型
導電層２２へ電子が注入され、冷電子放出陰極２
の内部をバイアス電流が流れる。そしてｐ型導電
層２２へ注入された電子の一部が電極２４に囲ま
れた円形のセシウム層２３の表面から真空中に放
出され、第３図に矢印ｂで示すように陽極３へ飛
行し、陽極３で捕集される。従つて、バイアス電
流の大部分がｐ型導電層２２からｎ型導電層２９
へ流れる正孔であるときは真空中に放出される電
子は極めて少くなる。ところが、ｎ型導電層２９
の抵抗は高いので、ｎ型導電層２９へ注入された
正孔は、ｐ型導電層２２との接合部の近傍で空間
電荷２０を生じるから正孔は流れ難くなり、バイ
アス電流のほとんどは電子流としてｐ型導電層２
２に注入されるから、真空中へ放出される電子が
極めて多くなると理解される。
れた電子放出効率を示す理由は、次のように理解
される。すなわち、冷電子放出陰極２に順方向バ
イアス電圧が印加されたとき、第２図に示す円形
部分２８に対応するｐ型導電層２２とｎ型導電層
２９との接合部において、ｐ型導電層２２からｎ
型導電層２９へ正孔が、ｎ型導電層２９からｐ型
導電層２２へ電子が注入され、冷電子放出陰極２
の内部をバイアス電流が流れる。そしてｐ型導電
層２２へ注入された電子の一部が電極２４に囲ま
れた円形のセシウム層２３の表面から真空中に放
出され、第３図に矢印ｂで示すように陽極３へ飛
行し、陽極３で捕集される。従つて、バイアス電
流の大部分がｐ型導電層２２からｎ型導電層２９
へ流れる正孔であるときは真空中に放出される電
子は極めて少くなる。ところが、ｎ型導電層２９
の抵抗は高いので、ｎ型導電層２９へ注入された
正孔は、ｐ型導電層２２との接合部の近傍で空間
電荷２０を生じるから正孔は流れ難くなり、バイ
アス電流のほとんどは電子流としてｐ型導電層２
２に注入されるから、真空中へ放出される電子が
極めて多くなると理解される。
次に他の実施例を第２図を用いて説明する。
すなわち、ｎ型半導体基板２１は300μｍの厚
さ、不純物濃度３×1017cm-3のガリウム砒素の基
板上に気相エピタキシヤル法でほぼ同じ程度の不
純物濃度のガリウム砒素燐を成長したものを用い
る。絶縁層２７は、不純物濃度５×1017cm-3のｐ
型ガリウム砒素燐を用いて構成し、その厚さ2μ
ｍ、中心にある円形のｎ型のガリウム砒素燐から
なる部分の直径は50μｍφである。絶縁層２７と
ｐ型半導体層２２に挟まれた部分は、不純物濃度
１×1016cm-3のｎ型のガリウム砒素燐からなり、
厚さは8μｍ、比抵抗0.5Ω・cmである。ｐ型半導
体層２２は、亜鉛を0.8μｍの深さまで表面不純物
濃度１×1018cm-3となるように拡散したもので、
その比抵抗0.01Ω・cmである。オーミツク電極２
４と２５の構造と材料は前述の例と同一である。
各オーミツク電極２４と２５から冷電子放出陰極
２に２ボルトのバイアス電圧を加えたとき、バイ
アス電流が500μAが流れて、陽極３に11μAの電
子流が捕集された。従つて冷電子放出電子２の表
面から放出する電子流の密度0.55A／cm2、電子放
出効率は2.2パーセントである。この結果は前述
の第１の実施例に比べると劣るが、ジエー・アー
ル・ハワーズ等が74年第６回フオトエレクトロニ
ツク・イメージデバイスについてのシンポジユウ
ム（ロンドン）で発表した同一材料、すなわち、
ガリウム砒素燐を用いた冷電子放出陰極の電子放
出効率0.14パーセントに比べて極めて優れてい
る。
さ、不純物濃度３×1017cm-3のガリウム砒素の基
板上に気相エピタキシヤル法でほぼ同じ程度の不
純物濃度のガリウム砒素燐を成長したものを用い
る。絶縁層２７は、不純物濃度５×1017cm-3のｐ
型ガリウム砒素燐を用いて構成し、その厚さ2μ
ｍ、中心にある円形のｎ型のガリウム砒素燐から
なる部分の直径は50μｍφである。絶縁層２７と
ｐ型半導体層２２に挟まれた部分は、不純物濃度
１×1016cm-3のｎ型のガリウム砒素燐からなり、
厚さは8μｍ、比抵抗0.5Ω・cmである。ｐ型半導
体層２２は、亜鉛を0.8μｍの深さまで表面不純物
濃度１×1018cm-3となるように拡散したもので、
その比抵抗0.01Ω・cmである。オーミツク電極２
４と２５の構造と材料は前述の例と同一である。
各オーミツク電極２４と２５から冷電子放出陰極
２に２ボルトのバイアス電圧を加えたとき、バイ
アス電流が500μAが流れて、陽極３に11μAの電
子流が捕集された。従つて冷電子放出電子２の表
面から放出する電子流の密度0.55A／cm2、電子放
出効率は2.2パーセントである。この結果は前述
の第１の実施例に比べると劣るが、ジエー・アー
ル・ハワーズ等が74年第６回フオトエレクトロニ
ツク・イメージデバイスについてのシンポジユウ
ム（ロンドン）で発表した同一材料、すなわち、
ガリウム砒素燐を用いた冷電子放出陰極の電子放
出効率0.14パーセントに比べて極めて優れてい
る。
なお、ｐ型半導体層の面に形成するセシウム層
の代りに、その表面に負の電子親和力を生じる、
他のアルカリ金属、すなわち、ナトリウム、カリ
ウムおよびルビジウムの層を形成してもよい。
の代りに、その表面に負の電子親和力を生じる、
他のアルカリ金属、すなわち、ナトリウム、カリ
ウムおよびルビジウムの層を形成してもよい。
以上のように本発明によれば、ｐ型半導体から
ｎ型半導体に注入される正孔によつて空間電荷を
生ぜしめることができ、この空間電荷によつて正
孔流を制限して電子流の比率を増加させ、結果と
して高い電子放出効率を得ることができる。
ｎ型半導体に注入される正孔によつて空間電荷を
生ぜしめることができ、この空間電荷によつて正
孔流を制限して電子流の比率を増加させ、結果と
して高い電子放出効率を得ることができる。
第１図は、冷電子放出陰極の動作原理を説明す
るための冷電子放出陰極の断面構造図、第２図は
本発明の冷電子放出陰極の構造と動作を説明する
ための冷電子放出陰極の断面構造図、第３図は陽
極と共に冷電子放出陰極を組込んだ真空気密容器
の構造を示す図である。
るための冷電子放出陰極の断面構造図、第２図は
本発明の冷電子放出陰極の構造と動作を説明する
ための冷電子放出陰極の断面構造図、第３図は陽
極と共に冷電子放出陰極を組込んだ真空気密容器
の構造を示す図である。
Claims (1)
- １ ｎ型半導体基板と、このｎ型半導体基板上に
形成され中央が欠如している絶縁層と、この絶縁
層上およびその中央の欠如部上にエピタキシヤル
成長により形成された高抵抗のｎ型半導体層と、
このｎ型半導体層表面に拡散により薄く形成され
このｎ型半導体層よりも低抵抗のｐ型半導体層
と、前記ｎ型半導体基板の裏面に形成した第１の
オーミツク電極と、前記絶縁層の欠如部と重なる
ように前記ｐ型半導体層上に形成されたアルカリ
金属薄層と、前記絶縁層の欠如部と重ならないよ
うに前記ｐ型半導体層上に形成された第２のオー
ミツク電極とを備え、前記ｎ型半導体層の抵抗は
前記ｐ型半導体層から注入された正孔がpn接合
部の近傍で空間電荷を生ぜしめる程度に十分に高
いことを特徴とする冷電子放出陰極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3492380A JPS56132737A (en) | 1980-03-19 | 1980-03-19 | Cold electron discharge cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3492380A JPS56132737A (en) | 1980-03-19 | 1980-03-19 | Cold electron discharge cathode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56132737A JPS56132737A (en) | 1981-10-17 |
| JPH0139616B2 true JPH0139616B2 (ja) | 1989-08-22 |
Family
ID=12427725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3492380A Granted JPS56132737A (en) | 1980-03-19 | 1980-03-19 | Cold electron discharge cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56132737A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62272439A (ja) * | 1986-05-20 | 1987-11-26 | Canon Inc | 電子放出装置 |
| JP2639542B2 (ja) * | 1987-12-03 | 1997-08-13 | キヤノン株式会社 | 電子線発生装置およびそれを用いた表示装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5430274A (en) * | 1977-08-10 | 1979-03-06 | Koyo Sangyo Co | Gypsum laminating board*and its making method |
| JPS5446931A (en) * | 1977-09-17 | 1979-04-13 | Truetzschler & Co | Moving flat for comber |
-
1980
- 1980-03-19 JP JP3492380A patent/JPS56132737A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5430274A (en) * | 1977-08-10 | 1979-03-06 | Koyo Sangyo Co | Gypsum laminating board*and its making method |
| JPS5446931A (en) * | 1977-09-17 | 1979-04-13 | Truetzschler & Co | Moving flat for comber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56132737A (en) | 1981-10-17 |
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