JPH01502307A - 超高速度集積超小形電子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電界放出陰極構造を有する集積超小形電子管であって、／／１００〜 ／気圧の圧力下で真空管として動作するものに関する。

発明の背景 電界放出陰極構造を有する集積超小形電子管は、例えば、スピンド（５ｐｉｎｄ ｔ　）等の米国特許第３，７♂２弘７／号、ヤマダ（Ｙ圃ｍｄａ　）等の米国特 許第３．ｒ！よ弘タタ号、及びレヴアイン（Ｌｅマ１ｎ・）の米国特許第３．り ２　／、　０２２号に見られるように公知である。これらのデバイスは真空管の ように作用するので、それらは高真空で組み立てられねばならない。しかしなが ら、今日では、そのような電子管を高真空で製造する手段は、実際的ではなく、 且つ商業的に経済的ではないということが見出された。従って、真空デバイスと してのそのような電子管は、殆ど使用されていない。

発明の目的及び要約 本発明の目的は、電界放出陰極構造を含む、改良された集積超小形電子デバイス を提供することであシ、該デバイスは、容易に且つ安価に製造され得ると共に１ 高真空を必要としないのに、真空管のように動作する。

本発明の目的は、比較するのに適当なガリウムヒ素デバイスよりも実質的に速い 速度でスイッチングすることが可能な超高速度集積回路で使用される、上述した タイプの改良された集積超小形電子デバイスを提供することである。

本発明の目的は、上述したタイプの改良された集積超小形電子デバイスであって 、電子管１個当シの占有スペースが小さく、「オン」モードにおける電力消費量 が少なく、単結晶材料を使用する必要がなく、放射ｌｓＫ強く、広範囲の温度に 亘って動作させられ得、そして１枚の基板上に多数の回路素子を含むように集積 化され得るものを提供することである。

本発明の上記の及びその他の目的及び利点は電界放出管を用いることによって達 成され、該電界放出管の寸法は十分に小さいので、大気圧又は大気圧に近い圧力 、例えば１７ｉｏｏ−／気圧においてさえ、該電界放出管の陰極と陽極との間を 移動する電子の平均自由行程は電極間距離よシも長く、そして該電界射出管の動 作電圧は残留ガスの電離電圧よシも低い。動作に対して高真空が要求されないの で、このタイプの電子管は比較的容易に製造され、そして空気又は他のガスがそ こで使用され得る。種々の回路が本発明の電子管を使用して組み立てられ得る。

例えば、高速度記憶回路が製作され得、そこでは、記憶素子として機能するクリ ップフロツブ回路をもたらすべく、電子管が内部接続される。

図面の簡単な説明 本発明は、本発明の他の目的及び利点と共に、添付図面を考慮に入れた以下の記 載からよシ良く理解されよう、いくつかの図における同じ参照符号は同じ部分を 示すところの図面において： 第１図は、明瞭化のために切シ欠かれている、陽極と、ダートから陽極を分離す る絶縁体とを示す部分拡大斜視図であり、 第２図は、第１図のλ−λ線に沿う拡大断面図であシ、 第３図及び第弘図は、電子の速度（ｆｉτに比例する）に対する、種々のガス中 における電子の衝突の確率を示すグラフであシ、 第５図は、三極管の代りに電界放出二極管のアレーを示していることを除いて第 １図のそれと同様の部分拡大斜視図であシ、そして 第４図は、第５図の６−６線に沿う拡大断面図である。

先ず第１図を参照すると、そこには基板／４’上に形成されている超小形電子デ バイス／２のアレー１０が示されている。第１図において、デバイスは、三極管 タイプの「真空」管からなるものとして示されている。

明らかになるように、二極管、三極管及び他のタイプの電子管が本発明によって 組み立てられ得、それらのデバイスはガスを含有する真空管として機能する。ま た、非限定的な例として、ｌ平方ｍ２当Ｆ）　２　Ｘ　／　０８個までのデバイ スが、基板／４’上に形成され得る０以上の記述から、デバイスは著しく拡大さ れた比率で図面に描かれているということが明らかであろう。

基板／弘は、その上に形成される電子管／２のアレーＩＯ用の支持体を提供する 。図示されている構成では、基板／≠は、ベース部材／４４Ａとその上に付着さ せられるシリコン層ｌ弘Ｂとからなっている。ベース部材ｌ弘人はセラミック、 ガラス、金属、又は類似材料から製作され得、そして、説明の目的で、ガラス部 材が示されている。シリコン層／Ｉ／ＬＡは、その上に形成されている陰極２θ 用のリード線を形成するように適合させられている０個々の陰極２０のアレーが シリコン層／４４Ｂ上に形成されており、それらの各々は７個の針状電子放出突 起からなっている。突起２０は、モリブデン又はタングステンのような耐熱金属 で形成され得る。

二酸化ケイ素の薄膜のような誘電体薄膜２２がシリコン層１４ＡＢの表面上に付 着させられており、そして該薄膜には開口２≠のアレーが設けられておシ、該開 口を通してエミッタ電極突起２０が延出している。ダート電極２乙、即ち加速電 極が、金属層を誘電体薄膜２．２上に付着させるようにして形成されている。説 明の目的で、絶縁材料の交差する列及び行２ｔが、薄膜２乙を個々のｆｆ−）電 極のアレーに分割するように示されている。ｒ−）電極２乙は在来の真空管の制 御格子に相当するものである。陰極突起の先端は、ダート電極２乙内の開口２６ 人の実質的に中央位置における、該電極の上面及び下面の中間の高さの位置で終 っており、もって電子管の動作条件下での先端における電界が最大になる。

絶縁層３０がｆｆ−）電極コ乙上に付着させられておシ、該絶縁層にはダート電 極内の開口２乙人と軸方向に整合させられている開口３０ｋが形成されている。

金属陽極３２が絶縁層３０に固着させられており、もし望むならば、該金属陽極 は、模様のない平面金属シートであって、絶縁表面に押圧される際にアライメン トを必要としないものからなっていても良い。陽極３２と、その上に陰極突起２ ０が形成されているシリコン層／≠Ｂとの間にガス含有空間が形成されている。

真空がもたらされるところの従来技術の構成と異なり、本発明の電子管は、電極 間の空間内に略／／１００〜ｌ気圧の圧力でガスを含有している。

このタイプの電子管を製造する方法は、例えば、前述の米国特許第３．７♂２弘 ７７号に示され且つ記載されているように周知である。一般に行われている組立 方法によると、Ｈ＝　／、　ｊ　ｌａｍ、　ｔ　＝０．３　μｍ及びｒ　＝０． ｌ。

μｍという小さい寸法が達成され得、ここで、第２図に示されているように、Ｈ は絶縁層２２の厚さであり、ｔはダート電極の厚さであシ、セしてｒはｆ−）電 極内の開口２乙人の半径′である。また、陰極２Ｑの先端と陽極３２との間の略 ０．　Ｊ″ｔｔｍの距離りが、０．−２　ｊ　ｔｉｍのオーダーの厚さを有する 絶縁層３０の使用を通して意図されている。

動作原理 速度マ（電位ＶＫ対応する）で移動する、ガス中の電子の平均自由行程λは、 で与えられ、ここで、 ｐ＝正圧力トル）、 Ｔ＝絶対温度、及び ＰＣ（Ｖ）　＝エネルギー・Ｖの電子についての衝突の確率 である。

式（１）を再構成することにより、衝突の確率についての次の表現がもたらされ る。

式（２）を用い、そして Ｔ＝ＪＯＯＫ ｐ＝７６θトル＝ｌ気圧、及び ２２０．５μｍ であると仮定すると、上述したＤ＝０．３’μｍの寸法を有する電子管について のｐｃ（ｖ）はく３０であるに違いなく、もって、該電子管は、電子と該電子管 の中に含有されているガスとが実質的に衝突することなく動作する。

衝突の確率Ｐｃは電子の速度（即ちｆｆ１）の関数であり、そしてこの関数は多 くのガスについて測定されている。衝突の確率とｆｆ奮との関係が、Ｉ（２、Ｎ ・及びＨ・については第３図に、そしてＮ２及び０２（空気の主成分）について は第≠図に示されている。ラムザウアー効果の結果として、ＰＣは２〜１０．ｆ ルトの範囲内でしばしば最大値を有するということが注目されよう。

もし空気が電子管内で使用されるならば、動作電圧は、略２．乙デルトにある窒 素のピークから離れているべきである。第≠図に見られるように、窒素ガス及び 酸素ガスの両方に対する衝突の確率は、電圧範囲の実質的な部分に亘って３０を 超えておシ、このため、上記の電圧範囲内での動作は不可能になる。しかしなが ら、電子管内の空気（Ｎ２及び０２）の圧力を減少させることによシ、衝突の確 率は容認され得る値まで減少させられ得る。例えば、Ｏ，！ｒ気圧の空気圧にお ける動作は、窒素のピークから離れたすべての動作電圧において、衝突の確率を 容認され得る値まで減少させる。

第３図の検討から、ネオン及びヘリウムの両方に対しては、衝突の確率Ｐｃが電 子のすべてのエネルギーに対して２０未満であるということが理解されよう。従 って、大気圧にあるネオン及びヘリウムが、電子管内で使用され得る。それらは 非反応性で且つ安価であるので、用いるべき優れたガスである。ヘリウムの場合 、電離のための電子の最小のエネルギーは２４Ｌ、乙・Ｖである。また、ヘリウ ムは殆どの材料を非常に容易に貫通し、そして、もし必要であるならば、電子管 内の空気に取って代るべく使用され得る。

前述した寸法（即ち、ｒ＝０．６μｍ％Ｈ＝　／、　Ｊ”μｍ及びｔ＝Ｏ，Ｓμ ｍ）を使用すると、約＋ｔｔｏｖ＜陰極に対して）のダート電圧が、陰極の先端 からｌ〜７０μ人を引き出すのに必要とされる。該先端から０．　Ｊ″μｍ離れ た陽極３２では、約７ｊ〜１００Ｖの陽極電圧が、電子がｆｆ−）に戻らないと いうことを確実にするために必要とされる。存在する実験データの外挿は、ｒｔ −〜０．３μｍに縮小することによシ、ｒ−ト電圧を＝＝＝＝ｓＪ″Ｖに引き下 げることが可能でちゃ、従って、ＩＯ−λＯＶの陽極電圧で動作することが可能 であるということを示している。電子管のアレーが共通の陽極を提供されている ところの図示されている構成では、一定の陽極電圧での電子管の動作がもたらさ れる。電子管が、例えば、記憶回路のような二進回路で使用される場合、オン状 態とオフ状態との間で電子管をスイッチングするための可変ｒ−）電圧が供給さ れる。電子管の出力は、陰極、２０とグラウンドとの間に接続されている負荷抵 抗３６を介して得られ得る。

本発明では、電子管は、たとえそれらが／／１００気圧〜／気圧の圧力でガスを 含有していても、真空管として機能する。これは、次の事実から生じる。即ち、 構成及び動作条件は、電子の平均自由行程が、陰極と陽極との間の間隔であって 、その間を電子が移動する間隔と等しいか又はそれよシも大きいというようなも のであるという事実であシ、本発明による上記の間隔は、約０．５μｍより大き くない。

この構成によると、電極間空間内にガスを供給することを含むところの組立段階 が、所望のガスを有すると共に所望の圧力にある気体雰囲気中で単に組立てを行 うことによって容易に達成される０例えば／／１００〜ｌ気圧のガス圧は、容易 に作られると共に、ガスが電子管内に密封されるところの組立段階の間、容易に 維持される０例えば、図示されている構成の場合、陽極３２は、所望の気体雰囲 気中で、例えば実質的に大気圧のヘリウムの雰囲気中で被せられ得る。陽極３２ を絶縁層３θに接合する時に、電極間空間は、電子管内にガスを含有するように して密封される。電子管の作用的なアレーを提供するのに、電子管を深く真空排 気する必要がない。

本発明の新規な二極管の利点は、例えばシリコンデバイス、ガリウムヒ素デバイ ス及びインジウム燐デバイスに匹敵する高速スイッチング速度を含む。最大ドリ フト速度、電界強度、０．５μｍの距離に対する走行時間、並びに上記の媒質の ＯＪμｍに対する及び真空に対する印加電圧を示す第１表を参照する。該表では 、半導体８１５ＧａＡ＊及びＩｔ＋Ｐにおける電子のドリフト速度の最大値が使 用されておシ、該ドリフト速度は、半導体に対する電界の関数としての、電子の ドリフト速度のグラフから得られる。陰極λＯの先端は直径が唯の約０．０２μ ｍ（従来技術の構成方法）であるので、且つ殆どの加速は先端のｏ、ｉｓμｍ以 内で起るので、次式で与えられる、本質的に均一の速度で、電極間の間隔が移動 されるということが推量される。

第　／　表 媒質　シリコン　ＣａＡｓ　Ｉｎ？　真空０最大速度　１０５２×１０５２２ｘ ｌＯ５乙Ｘ１０”Ｖ’（ｍ７秒） 電界　乙Ｘ１０’　０２Ｘ１０’　２Ｘ１０’　３．２Ｘ１０’（Ｖ／ｍ　） 中電界は、約ｊ　Ｘ　１０　Ｖ／ｍ　Ｉｃおける、絶縁体のブレークダウンによ って制限される。

第１表から、本発明の「真空」管が、現時点で入手可能な最良の半導体よシも約 １０倍のスイッチング速度を有しているということが判る。

電流が流れているかどうかを検出するため、ボアノン統計を仮定すると　１０１ ２分のｌの平均誤シ率を有するためには１．２００個の電子の輸送で十分である 。

もし、回路がＩＯ秒の時間で流れる電流を有しているかどうかを検出することが 必要であるならば、電子管内を流れる電流は、 であるに違いない。従って、電界放出における変動はボアノンよシも大きいかも 知れないが、ＩＯＡ／先端のｒオン」電流は、ギガビットレートで電流を検出す るのに単に適しているだけでなく、それ以上のものであるということが、合理的 に考えられ得る。この電流及び／＃Ｖ６Ｄ陰極電圧での／対のｒオンノの電子管 によって消費される電力は、３．２ＸＩＯ−５Ｗであろう。

約２．３×１０　αの表面積を占有する各超小形電子管により、／ａｎ　当シ約 ７０個の記憶回路の密度まで詰め込むことが可能である。

次に、超小形二極管のアレー！θが基板！λ上に形成されているところの第５図 及び第６図を参照する。

単に説明の目的のためにに極管のアレーが支持されている基板夕２は、セラミッ ク、ガラス、金属、又は類似物ノベース部材よ２人と、その上に付着させられて いるシリコン層ｊ、２Ｂとからなるものとして示されている。導電性の陽極コネ クタｊ弘と絶縁材料！乙とが交互に並ぶ列が、シリコン層ｊ２Ｂ上に付着させら れている。別個の陰極ｔｏの直線状のアレーが陰極コネクタ！≠の各々の上に形 成されており、該陰極は７個の針状電子放出突起からなっている。前述した三極 管のアレーのように、突起乙Ｏはモリブデン又はタングステンのような耐熱金属 で形成され得る。

誘電体薄膜乙２が陰極コネクタよ≠及び隣接する絶縁材料！乙の表面上に付着さ せられておシ、該薄膜には開口６弘のアレーが設けられており、該開口内にエミ ッタ電極突起乙０が延在している。陰極突起の先端は、絶縁層６２の上面から僅 かな距離ｄだけ下方の位置で終っている。

金属陽極電極６乙の列が絶縁層６２に固着させられておシ、該陽極電極は、陰極 コネクタｊμの列に対して直角の方向に延在している。陽極の列と、交差してい る陰極コネクタの列との間のガス含有空間が、各陰極６０に設けられており、該 空間は略／／１００〜／気圧の圧力でガスを充填されている。０．Ｊ″μｍのオ ーダーの距離ｄが、陰極６０の先端と陽極６乙との間に設けられている。三極管 の実施例の場合のように、二極管のアレーは、陰極電極と陽極電極との間のガス 中を移動する電子の平均自由行程が、陰極電極の先端と共通の陽極電極との間の 間隔ｄと等しいか又はそれよシも大きいところの電圧で動作させられる。前述し た三極管のアレーのように、空気、ネオン、ヘリウム、又は類似物を含むガスが 、二極管のアレー構造で使用され得る。三極管の時のように、該二極管は、たと えそれらが１７ｉｏｏ気圧〜／気圧の圧力でガスを含有していても、真空管とし て機能する。また、陽極ストリップ６乙は、所望の圧力にある所望のガスの気体 雰囲気中で絶縁層乙λに固着され得、もって二極管の陰極と陽極との間のガス含 有空間は、層乙λへの陽極の取付けの完成と同時にガスを含有する。電子管の組 立て後に電極間の空間内のガス圧を減少させる必要は無い。

特許法の要請に従って詳細に記載された本発明は、種々の変形及び変更を当業者 に示唆するであろう。例えば、三極管タイプの電子管は、もし望むならば、別個 の陽極を設けられ得、その場合、個々の負荷抵抗を介しての、陽極と正電圧源（ 陰極に対して）との接続が可能である。この構造によると、二極管の陰極は、共 通の直流電源に接続され得る導電性の基板上に形成され得る。また、空気、ネオ ン、及びヘリウム以外のガスも電子管に使用され得るということも明らかである 。上記の及びその他のそのような変形及び変更は、添付されている請求の範囲で 規定されている本発明の精神及び範囲内のものであるということが意図されてい る。

ｖ７ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．基板と、 各々が少なくとも／つの先端を有する鋭い針状陰極電極であって、前記基板によ つて支持されるもののアレーと、 前記陰極電極の先端から離隔した陽極電極であつて、該陰極電極から電界放出に よつて放出される電子を受けるものを含む各管と、 前記陰極電極を前記陽極電極から絶縁する絶縁手段であって、該絶縁手段は、そ の中に該陰極電極が延在するところの複数の貫通開口を含むものと、約１／１０ ０〜１気圧の圧力でガスを含有する各管と、前記管に動作電圧を供給する手段と 、 を具備し、 前記陰極電極と前記陽極電極との間の前記ガス中を移動する電子の平均自由行程 が、該陰極電極の先端と、結び付いた陽極電極との間の間隔と等しいか又はそれ よりも大きく、且つ電子によつて得られる最大エネルギーが、成分ガスの電離電 圧より小さい、超小形電子管のアレー。
2. ２．前記管の前記陰極電極と前記陽極電極との間の電極間間隔が＜約０．５μｍ である請求の範囲第１項記載の超小形電子管のアレー。
3. ３．前記ガスが空気からなる請求の範囲第１項記載の超小形電子管のアレー。
4. ４．前記ガスがヘリウムからなる請求の範囲第１項記載の超小形電子管のアレー 。
5. ５．前記ガスがネオンからなる請求の範囲第１項記載の超小形電子管のアレー。
6. ６．前記基板がその上にシリコンの層を有するガラスベースからなる請求の範囲 第１項記載の超小形電子管のアレー。
7. ７．前記管が二極管からなり、前記アレーが、前記陰種の列に接続される、前記 基板上の陰極コネクタの列を含み、且つ 前記アレーが、該陰極コネクタの列の方向に対して直角の方向に延在する陽極電 極の列を含む請求の範囲第１項記載の超小形電子管のアレー。
8. ８．各前記管が、ダート電極であつて、それを貫通すると共に、前記絶縁手段に おける結び付いた開口と整合している開口を有するものを含み、且つ、そのダー ト開口内に、結び付いた陰極電極の先端が延在している請求の範囲第１項記載の 超小形電子管のアレー。
9. ９．前記陰極電極及び前記陽極電極の内の少なくとも一方が、前記管内に含有さ れる型及び圧力のガスの存在下で、該管のアレーに被せられる請求の範囲第１項 記載の超小形電子管のアレー。
10. １０．基板と、 各々が少なくとも１つの先端を有する鋭い針状陰極電極であつて、前記基板上に 形成されるもののアレーと、 それを貫通する開口を有するゲート電極であつて、該開口の中に、結び付いた陰 極電極の先端が延在するものを含む各管と、 前記陰極電極を前記ゲート電極から分離し且つ絶縁する絶縁手段であつて、該絶 縁手段は、該ゲート電極内の開口と整合している複数の貫通開口を含むものと、 前記ゲート電極及び前記陰極電極から離隔した陽極電極であって、該陰極電極か ら電界放出によつて放出される電子を受けるものを含む各管と、約１／１００〜 １気圧の圧力でガスを含有する各管と、前記管に動作電圧を供給する手段と、 を具備し、 前記陰極電極と前記陽極電極との間の前記ガス中を移動する電子の平均自由行程 が、該陰極電極の先端と、結び付いた陽極電極との間の間隔と等しいか又はそれ よりも大きく、且つ電子によつて得られる最大エネルギーが、成分ガスの電離電 圧より小さい、超小形電子管のアレー。
11. １１．前記管の前記陰極電極と前記陽極電極との間の電極間間隔が＜約０．５μ ｍである請求の範囲第１０項記載の超小形電子管のアレー。
12. １２．前記ガスが空気からなる請求の範囲第１０項記載の超小形電子管のアレー 。
13. １３．前記ガスがヘリウムからなる請求の範囲第１０項記載の超小形電子管のア レー。
14. １４．前記ガスがネオンからなる請求の範囲第１０項記載の超小形電子管のアレ ー。
15. １５．前記ゲート電極と前記陽極電極とを分離し且つ絶縁すると共に、該ゲート 電極の開口と整合している複数の貫通開口を有する絶縁手段を含む請求の範囲第 １０項記載の超小形電子管のアレー。
16. １６．前記陽極電極が、複数の前記管と結び付けられる単一の導電部材からなる 請求の範囲第１５項記載の超小形電子管のアレー。
17. １７．前記管内に含有されるガスが、約１／１０〜１気圧の圧力にあるガスの存 在下で、前記単一の導電部材を、前記ゲート電極と前記陽極電極とを分離し且つ 絶縁する前記絶縁手段に被せることによつて供給される請求の範囲第１５項記載 の超小形電子管のアレー。
18. １８．前記基板がその上にシリコンの層を有するガラスベースからなり、そのシ リコン層の上に前記陰極電極が形成されている請求の範囲第１０項記載の超小形 電子管のアレー。
19. １９．前記陰極電極を前記ゲート電極から分離し且つ絶縁する前記絶縁手段が、 前記シリコン層上に形成されるＳｉＯ２の層からなる請求の範囲第１０項記載の 超小形電子管のアレー。
20. ２０．前記陰極電極及び前記ゲート電極の内の少なくとも一方が、前記管内に含 有される型及び圧力のガスの存在下で、該管のアレーに被せられる請求の範囲第 １０項記載の超小形電子管のアレー。