JPH06111722A - 冷陰極パルス放射装置 - Google Patents

冷陰極パルス放射装置

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JPH06111722A
JPH06111722A JP25930492A JP25930492A JPH06111722A JP H06111722 A JPH06111722 A JP H06111722A JP 25930492 A JP25930492 A JP 25930492A JP 25930492 A JP25930492 A JP 25930492A JP H06111722 A JPH06111722 A JP H06111722A
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Yasuhiro Shimada
恭博 嶋田
Eiji Fujii
英治 藤井
Toru Nasu
徹 那須
Yasuhiro Uemoto
康裕 上本
Akihiro Matsuda
明浩 松田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷陰極パルス放射装置において、動作電圧を
低減し瞬時放出電子電流を増大させる。 【構成】 互いに対向する陽極1および陰極2と、陽極
1と陰極2の間に空間配位されたトリガ板5と、陰極2
を一方の電極としキャパシタ板4を他方の電極として誘
電体薄膜3を挟んだ誘電体薄膜キャパシタとを有する。
この構成によって、分極電荷に束縛された電荷に加えて
容量結合した電荷をも放出電子に供することができるの
で、放出電流密度が高くかつ動作電圧の低い冷陰極パル
ス放射装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主に微細加工技術を用
いて固体中に形成される微細な真空管等の電子放出部と
して利用する冷陰極パルス放射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体素子中の電子の速度は光速の1/1
000程度までに限られ、素子動作に限界がある。また
固体素子は放射線や温度変化に弱いという欠点を持って
いる。近年、固体素子の持つこれらの欠点を克服するた
めに微細加工技術を用いて微小な真空管を作る試みが活
発になされている。
【0003】これらの微小真空管にはさまざまな形の冷
陰極が用いられているが、その中でも針状電極は1000 A
/cm2以上の高い放出電子密度を容易に得られるので広く
研究されている。また半導体中のなだれ降伏や、絶縁膜
またはショットキー障壁のトンネル効果を利用した平面
陰極構造も研究されている。さらには、強誘電体の分極
を瞬時に反転させることにより強誘電体表面に束縛され
た電子をパルス的に放出させ、1 A/cm2 以上の電流密度
を得ている(例えば、H. Gundlら、Appl. Phys. Lett.,
Vol.54, pp.2071, 1989 参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の針
状電極では尖端が微細なため吸着ガスや形状変化などの
影響により放出電流の安定性が悪くなるという課題を有
しており、またなだれ降伏やトンネル効果を利用した平
面構造陰極では電子放出に高電界を要するので動作電圧
が高くなるという課題を有していた。さらに、これらの
冷陰極を用いた微小真空管の多くは直流的に動作するの
で空間電荷制限効果によって放出電子電流が飽和すると
いう課題を有していた。
【0005】しかしながら、瞬時電流のピーク値だけを
問題にするのであれば、電荷の存在しない空間に電子を
パルス的に放出させることによって空間電荷制限効果を
回避できる。例えば強誘電体の分極反転を利用した電子
放出はその一例であるが、ここで放出される電子は高々
強誘電体の分極電荷と結合した電荷量のみなので高い放
出電子電流密度は望めない。
【0006】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、空間電荷制限効果のない高い放出電子電流密度と低
い動作電圧を特徴とする冷陰極パルス放射装置を提供す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の冷陰極パルス放射装置は、互いに対向する陽
極と陰極、陽極と陰極との間に空間配位されたトリガ板
および誘電体薄膜キャパシタとを備え、誘電体薄膜キャ
パシタは誘電体薄膜を陰極とキャパシタ板で挟んだもの
である構成を有している。
【0008】
【作用】この構成によって、分極電荷に束縛された電荷
に加えて容量結合した電荷をも放出電子に供することが
できるので、放出電流密度が高くかつ動作電圧の低い冷
陰極パルス放射装置を実現できる。
【0009】
【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。図1は本発明の第1の実施例におけ
る冷陰極パルス放射装置の断面構成図である。図1にお
いて、1は金属板からなる陽極、2は厚さ100nmの
金属薄膜からなる陰極、3は誘電体薄膜、4はキャパシ
タ板である。誘電体薄膜3は陰極2とキャパシタ板4と
で挟まれて誘電体薄膜キャパシタを構成しているが、そ
の厚さは200nm程度であり、比誘電率が100以上
の例えばBa0.3Sr0.7(TiO3)などが用いられ
る。5はトリガ板、6は第1の絶縁層、7は第2の絶縁
層である。陽極1と陰極2とは500nm隔てられ、そ
れらの間に第1の絶縁層6および第2の絶縁層7によっ
て支持された金属からなるトリガ板5が配位されてい
る。このトリガ板5には陰極2から陽極1へ放出される
電子を通過させる多数の孔がメッシュ状に開けられてお
り、それらの孔に沿って陰極2と陽極1との間に多数の
真空開口8が設けられている。またキャパシタ板4は厚
さ100nmの金属薄膜からなり、後述の支持基板15
の上に形成されている。図1には本実施例の冷陰極パル
ス放射装置を動作させるための回路を同時に示している
が、9はトリガスイッチ、10はトリガ電極、11はバ
イアス電源、12は充電抵抗、13は可変充電源、14
は負荷、15は高濃度のP型半導体からなる支持基板で
ある。まず充電抵抗12を介して陰極2に電子が充電さ
れる。トリガスイッチ9が動作してトリガ板5に正の電
圧パルスが印加され、陰極2からの電子放出を開始させ
る。放出電子はバイアス電源11により陽極1へ向けて
加速される。
【0010】以下、簡便のために装置駆動のための外部
回路および誘電体薄膜を省略し、各電極を略記して本発
明の冷陰極パルス放射装置の第1の実施例における冷陰
極パルス放射装置の動作を説明する。
【0011】図2(a)〜(d)は本発明の第1の実施
例における冷陰極パルス放射装置の充電状態を説明する
図である。まず図2(a)に示すように、陽極1とキャ
パシタ板4の間に正のバイアスをかける。このとき、陽
極1とキャパシタ板4との間において絶対値が等しく符
号が反対の電荷qb +とqb -とが容量結合する。ここで、
陰極2に充電抵抗を介して負の電荷Qc -を充電する。こ
のとき、キャパシタ板4には絶対値がQc -と等しい正の
容量結合電荷Qc +が誘起される。このように陰極2に負
電荷が充電されている状態での冷陰極パルス放射装置の
電荷分布を図2(b)に、電界分布を図2(c)に、電
位分布を図2(d)に示す。図2(d)において、陰極
2とキャパシタ板4の間の電位勾配は急峻であるが、陰
極2とキャパシタ板4の間にはバンドギャップの広い誘
電体薄膜3が配位されているので陰極2に充電された負
の電荷すなわち電子はキャパシタ板4へ向かうことはで
きない。また陰極2から陽極1へ向かう電位勾配は比較
的緩いので、陰極2に充電された電子は陰極材料の仕事
関数を越えて陽極1に向け放出されることはない。
【0012】図3(a)〜(d)はは本発明の第1の実
施例における冷陰極パルス放射装置のトリガ状態を説明
する図である。図3(a)はトリガ板5に持続時間の短
い正電圧をかけた瞬間の状態を示す。ここでトリガ板5
とキャパシタ板4との間においては絶対値が等しく符号
が反対の電荷qt +とqt -とが容量結合する。またトリガ
板5への正電圧の印加はトリガスイッチ(図示せず)に
よって瞬時におこなわれるので、陰極2に充電されてい
る電荷Qc -は充電抵抗(図示せず)によって阻止され陰
極2に帯電したままとなる。この状態における電荷分布
を図3(b)に、電位分布を図3(c)に、電位分布を
図3(d)に示す。この状態における陰極2の近傍の電
位分布は図3(d)に示すように、陽極1に向かってそ
の勾配が急峻になる。
【0013】このように急峻な電位勾配のもとでは、ト
ンネル効果により陰極2から真空へ電子を放出すること
が可能である。この様子を図4(a)、(b)を用いて
説明する。図4(a)、(b)は本発明の第1の実施例
における冷陰極パルス放射装置の陰極近傍のエネルギー
準位を説明する図である。図4(a)において、2は陰
極、3は誘電体薄膜、8は電子が放出される真空開口で
ある。ここで図3(d)の状態における陰極2の近傍の
エネルギー準位を模式的に図4(b)に示す。図4
(b)において、31はフェルミ準位であり陰極2の中
では水平、誘電体薄膜3の中では誘電体薄膜3の伝導帯
準位34と平行な傾きを有する。32は真空準位で、陰
極2のフェルミ準位31と真空準位32の差が陰極2の
仕事関数φm となる。図3(d)に示すように、陰極2
とトリガ板(図示せず)との間の真空電位33の傾きは
急峻なので陰極2から真空開口8に向かう真空電位33
によって形成されるポテンシャル障壁の厚さはトンネル
現象が起こり得るほど薄くなる。その結果、陰極2に帯
電した電子はある確率を持ってパルス状に真空中に放出
される。放出された電子群はバイアス電圧によって加速
され、高速で陽極1に到達する。以上のようにして陰極
2に帯電した電子は陽極1へ輸送されることとなる。
【0014】なお本実施例では誘電体薄膜3として常誘
電体を用いたが、これを強誘電体に替えることにより容
量結合電荷Qc -のほかに分極電荷に束縛される電荷Qp -
が加わるのでより多くの電子を陰極2に帯電させること
ができる。さらに、トリガ電圧によって陰極2にかかる
電界強度を強誘電体の分極反転に必要な電界強度より大
きくすることにより、誘電体薄膜キャパシタの分極反転
を起こすことができ、陰極2には分極電荷から解放され
た余剰の電子が加わることとなる。その結果、真空電位
33の傾きをさら強くできるので、トンネル効果による
陰極2からの電子放出確率をさらに向上できる。また本
実施例においては、陰極材料として金属を用いたが、高
不純物濃度の半導体を用いても同様の効果が得られるこ
とはいうまでもない。
【0015】次に本発明の第2の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図5は本発明の第2の実施例
における冷陰極パルス放射装置の断面構成図である。図
5に示す冷陰極パルス放射装置はその構造において図1
に示す第1の実施例と基本的に同じであるが、陽極1の
構造は透明なガラス基板42の一表面上にITOなどか
らなる膜厚200nmの導電性の透明電極41を形成し
たものであり、また陰極2の電子放出面には酸化マグネ
シウム(MgO)やセシウム(Cs)などの電子放出材
14を塗布している。また透明電極41の電子到達面に
は蛍光体16を塗布している。
【0016】以上のように構成された第2の実施例で図
1に示す駆動回路を用いて駆動した場合について、以下
にその動作を説明する。まず放出電子の振舞いについて
は第1の実施例と変わるところはないが、本実施例にお
いては陰極2の表面に電子放出材14を塗布してあるの
で、第1の実施例より低い値のトリガ電圧であっても第
1の実施例と同等の放出電流を得ることができる。した
がって、冷陰極パルス放射装置の動作電圧を低く抑える
ことができる。また透明電極41の電子到達面には蛍光
体16を塗布しているので、電子衝突励起により陽極面
を発光させることができる。例えば、真空開口8を2次
元マトリクス状に配置することによって面発光装置やフ
ラットディスプレイ装置として利用できる。
【0017】なお第2の実施例では、陰極2の電子放出
面に電子放出材14を塗布することによって電子放出確
率を向上させたが、陰極2として表面に微細で鋭い凸凹
を有する例えば陽極酸化処理された多孔質シリコンを用
いても電界集中効果によって同様の効果が得られ、また
その上に電子放出材14を塗布することによりさらに優
れた効果が得られる。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明は、互いに対向する
陽極と陰極と、陽極と陰極との間に空間配位されたトリ
ガ板と、誘電体薄膜キャパシタとを備え、陰極が誘電体
薄膜キャパシタの一方の電極を兼ねている構成とするこ
とにより、動作電圧が低く瞬時放出電子電流の大きい優
れた冷陰極パルス放射装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における冷陰極パルス放
射装置の断面構成図
【図2】(a)〜(d)は本発明の第1の実施例におけ
る冷陰極パルス放射装置の充電状態を説明する図
【図3】(a)〜(d)は本発明の第1の実施例におけ
る冷陰極パルス放射装置のトリガ状態を説明する図
【図4】(a)、(b)は本発明の第1の実施例におけ
る冷陰極パルス放射装置の陰極近傍のエネルギー準位を
説明する図
【図5】本発明の第2の実施例における冷陰極パルス放
射装置の断面構成図
【符号の説明】
1 陽極 2 陰極 3 誘電体薄膜 4 キャパシタ板 5 トリガ板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上本 康裕 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電子 工業株式会社内 (72)発明者 松田 明浩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電子 工業株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いに対向する陽極および陰極と、陽極
    と陰極との間に空間配位されたトリガ板と、陰極を一方
    の電極としキャパシタ板を他方の電極として誘電体薄膜
    を挟んだ誘電体薄膜キャパシタとを有する冷陰極パルス
    放射装置。
  2. 【請求項2】 誘電体薄膜キャパシタを構成する誘電体
    薄膜の比誘電率が100以上であることを特徴とする請
    求項1記載の冷陰極パルス放射装置。
  3. 【請求項3】 誘電体薄膜が自発分極を呈する強誘電体
    薄膜であることを特徴とする請求項1記載の冷陰極パル
    ス放射装置。
  4. 【請求項4】 誘電体薄膜の厚さが1μm以下であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の冷陰極パルス放射装置。
  5. 【請求項5】 トリガ板と陰極との間隔が1μm以下で
    あることを特徴とする請求項1記載の冷陰極パルス放射
    装置。
  6. 【請求項6】 陰極の電子放出面に多数の微細な凹凸を
    有することを特徴とする請求項1記載の冷陰極パルス放
    射装置。
  7. 【請求項7】 陰極の電子放出面上に電子放出材が塗布
    されていることを特徴とする請求項1または6記載の冷
    陰極パルス放射装置。
  8. 【請求項8】 陽極の全部または一部が透明導電体であ
    ることを特徴とする請求項1記載の冷陰極パルス放射装
    置。
  9. 【請求項9】 透明導電体の上に蛍光体が塗布されてい
    ることを特徴とする請求項8記載の冷陰極パルス放射装
    置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003016921A (ja) * 2000-09-20 2003-01-17 Canon Inc 構造体、電子放出素子、画像形成装置およびそれらの製造方法
JP2006338893A (ja) * 2005-05-31 2006-12-14 Univ Of Tokushima 電界放出ディスプレイ装置、電界放出型電子源装置
US7474060B2 (en) 2003-08-22 2009-01-06 Ngk Insulators, Ltd. Light source

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003016921A (ja) * 2000-09-20 2003-01-17 Canon Inc 構造体、電子放出素子、画像形成装置およびそれらの製造方法
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JP2006338893A (ja) * 2005-05-31 2006-12-14 Univ Of Tokushima 電界放出ディスプレイ装置、電界放出型電子源装置

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