JPH04363835A - ガス放電管およびその駆動方法 - 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】

【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。

【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１００Ａの誘電体薄膜３および膜厚
８０Ａ〜３００Ａ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，
φＭ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。

【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（Ｉｅ／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】本発明によると、ガスを
満たした放電空間を介して陽極に向き合い前記陽極との
間に直流放電電圧が印加されたときに前記ガスの第１電
離電圧にほぼ等しいエネルギーのホットエレクトロンを
放出する陰極を、トンネル効果型の電子放出素子で構成
する。この電子放出素子は、導電体基板とこの導電体基
板の陽極側の面上に設けられて前記ガスに接する露出表
面を有する厚さ１００Ａ〜１μｍの誘電体薄膜とからな
る。前記誘電体薄膜はＭｇＯを主成分とするもので形成
することができる。また、前記導電体基板と前記誘電体
薄膜との間にＭｇを主成分とする導電性の中間層を有せ
しめることができる。

【０００７】

【作用】かかる構成では、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、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。

【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。

【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。

【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、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５００ＡのＭｇＯ
で、そして、陽極１０を膜厚２０００Ａ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
（２５０Ｔｏｒｒ）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Ｉ
ｅ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＝２１．５６ｅ
Ｖ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
＝２５Ｖ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。

【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，Ｘ
ｅ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。

【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
０Ａ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１０００Ａ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。

【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。

【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。

【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。

【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５００ＡのＭ
ｇＯ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２０００ＡのＩＴＯ（透明
導電膜）をそれぞれ用い、各電極の大きさを直径１６ｍ
ｍ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１
１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Ｆｅ２
Ｏ３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１μｍ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Ｅ
Ｂ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５０００Ａ
以下とりわけ３００Ａ〜３０００Ａ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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【符号の説明】

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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスを満たした放電空間を介して陽極に向
   き合い、前記陽極との間に直流の放電電圧が印加された
   ときに前記ガスの第１電離電圧にほぼ等しいエネルギー
   のホットエレクトロンを放出する陰極が、トンネル効果
   型の電子放出素子からなり、この電子放出素子は導電体
   基板とこの導電体基板の陽極側の面上に設けられて前記
   ガスに接する露出表面を有する厚さ１００Ａ〜１μｍの
   誘電体薄膜とからなることを特徴とするガス放電管。
2. 【請求項２】誘電体薄膜がＭｇＯを主成分とするもので
   あることを特徴とする請求項１記載のガス放電管。
3. 【請求項３】誘電体薄膜と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。
4. 【請求項４】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。
5. 【請求項５】導電体基板の表面にＭｇを主成分とする薄
   膜を形成したのち、前記導電体基板の成分の一部分を前
   記薄膜の一部分に拡散させてＭｇを含む導電性の中間層
   を形成し、前記薄膜の残余部分を酸化処理してＭｇＯを
   主成分とする誘電体薄膜を形成することを特徴とするガ
   ス放電管用陰極の製造方法。