KR101182492B1

KR101182492B1 - 전자 방출 소자

Info

Publication number: KR101182492B1
Application number: KR1020067001595A
Authority: KR
Inventors: 에레즈 할라미; 론 나아만
Original assignee: 에레즈 할라미; 예다 리서치 앤드 디벨럽먼트 캄파니 리미티드
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2012-09-12
Also published as: CA2533191C; WO2005008711A3; EP1649479B1; WO2005008711A2; CA2533191A1; EP1649479A2; WO2005008715A3; US20050018467A1; US7646149B2; US20050017648A1; KR20060059973A; AU2004258351A1; WO2005008715A2; AU2004258351B9; RU2340032C2; AU2004258351B2; JP2007534138A; RU2006103862A

Abstract

전자 방출 소자가 개시되어 있다. 상기 소자는 음극 및 양극 전극이 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 적어도 하나의 음극 전극과 적어도 하나의 양극 전극을 포함하는 전극 배열 장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 음극 전극을 여기 발광에 노출시켜 이로 인해 상기 음극 전극으로부터 전자들의 방출을 야기하도록 설정되고, 광전자방출 스위치 기기로서 활용 가능하다.

전자 방출 소자

Description

전자 방출 소자{ELECTRON EMISSION DEVICE}

본 발명은 다이오드나 삼극관 구조와 같은 전자 방출 소자에 관한 것이다.

다이오드 및 삼극관 소자들은 전자공학 분야에서 널리 사용되어 왔다. 한 분류의 이러한 소자들은 진공 마이크로일렉트로닉스의 법칙, 즉, 그 소자들의 작동은 진공상태에서 전자들의 탄도운동에 기초한다는 법칙을 활용한다[Brodie, 제1회 국제 진공 마이크로일렉트로닉스 회의 기조 연설, 1998년 6월, IEEE Trans. Electron Divicees, 36, 11 pt. 2 2637,2641(1989);I.Brodie, C.A Spindt,"Advances un Electronics and Electron Physics", vol. 83(1992), p. 1-106]. 진공 마이크로 일렉트로닉스의 법칙에 따르면 전자들은 (1V/nm를 초과하는) 매우 높은 전기장이 국소적으로 인가될 때 전자들이 전계방출에 의하여 음극 전극으로부터 방출되어 전위장벽을 뚫고 나간다 [R.H.Fowler,L.W.Nordheim,Proc.RoyalSoc.London A119(1928),p .173].

미합중국 특허 제5,834,790호는 전계방출 냉음극을 가지는 진공 마이크로소자에 관하여 개시하고 있다. 이 소자는 첫 번째 전극과 두 번째 전극을 포함하고 있다. 첫 번째 전극은 날카로운 말단부를 가지는 사출부를 갖고 있다. 절연막이 사출부의 날카로운 말단부을 제외한 첫 번째 전극의 영역에 형성이 된다. 두 번째 전극은 사출부의 날카로운 말단부를 제외한 절연막 상의 영역에 형성이 된다. 구조화된 회로기판은 첫 번째 전극소자의 하부 표면에 결합이 되어 있고, 첫 번째 전극의 하부표면 과의 결합 면에 휴지부(recess)를 갖고 있다. 휴지부는 첫 번째 전극의 하부표면상에 형성된 사출부분의 날카로운 말단부 반전시키는 휴지부를 커버 할 정도로 충분히 큰 크기를 가진다. 구조 회로기판에 형성된 휴지부의 내부는 소자의 외부 환경과 소통을 한다. 지지구조가 첫 번째 전극 상에 형성된 각 사출부를 감싸기 위하여 두 번째 전극의 표면상에 형성된다. 이러한 구조를 이용하여 빈 공간들로 인한 특성의 변형을 억제하고 뛰어난 장기적인 안정성을 제시할 수 있는 진공 마이크로 소자가 제공될 수 있다.

다른 하나의 분류인 삼극관들(트랜지스터들)은, 전하운반체들(charge carriers)은 고체 안에서 구속되어 있고 격자들의 상호작용에 의하여 약화 된다는 "고체마이크로일렉트로닉스"의 법칙에 기초한 반도체 소자들이다[S.M.Sze, Physics of semiconductor devics, Interscience, 2판,뉴욕]. 이와 같은 소자들에서 전류가 반도체 내에서 전도되어서 전자의 이동 속도가 결정 격자들 또는 그 안의 불순물들에 의하여 영향을 받는다. 반도체에 기초하는 능동 전자소자들의 주요한 단점은 전자들의 이동이 반도체 결정 격자들에 의하여 지체된다는 것이며. 이러한 단점으로 인해 이와 같은 소자들의 소형화(miniaturization)와 스위칭(switching)속도를 제한된다.

진공 마이크로전자 소자들은 고체 마이크로전자 소자들에 비하여 잠재적인 장점이 있다. 진공 마이크로전자 소자들은 (온도나 복사 같은)적대적인 환경조건에 대한 높은 적응능력이 있다. 오직 금속과 유전체에만 기초하므로 이 소자들은 전자들의 속도가 격자와의 상호작용에 의해 제한되지 않으므로 매우 높은 동작 주파수를 얻을 수 있다[T.Utsumi, IEEE Trans. Electron Devices, 38,10,2276 (1991)]. 일반적으로, 진공 마이크로전자 소자들은 다음의 뛰어난 출력회로(동력전달)특성을 가진다: 낮은 출력 전도율, 높은 전압 및 ,높은 전력 처리능력. 그러나 다음과 같은 그들의 입력 회로(제어회로)특성은 상대적으로 좋지않다: 그들은 낮은 전류 처리 능력, 낮은 트랜스컨덕턴스, 높은 변조/턴-온 전압과 좋지 않은 노이즈 특성. 결과적으로, 이 분야의 수많은 연구 노력에도 불구 하고, 이 같은 소자는 Rf 신호증폭기 및 소스로서 매우 극소수의 응용분야만 존재한다[S.Iannazzo, Solid State Electronics, 36, 3, 301 (1993)].

대부분 현재의 전자장치는 실리콘 또는 화합물 반도체 기반구조로부터 만들어진 소자들에 기초한다. 이 소자들의 고유저항 때문에 소자를 통한 전자의 전도시 열이 발생 된다. 이러한 발열이 주어진 영역당 집적회로 내의 트랜지스터 수를 극대화하려는 시도의 주된 장애물이다. 마이크로팁 형태의 진공 트랜지스터들을 이용하는 반도체 소자들은 개발되어 왔다. 여기에서 전자들은 진공 내이므로 가장 빠른 속도로 움직인다. 그러므로 진공 트랜지스터들은 극단적 속도로 작동될 수 있다. 그러나, 불안정하고 상대적으로 짧은 수명을 갖고 있으며, 그리고 그들의 동작을 위해 상대적으로 높은 전압을 요구하는 단점을 갖고있다.

미합중국 특허 제6,437,360호는 진공 전계 트랜지스터(Vacuum Field Transistor(VFT))를 제시하면서 MOSFET과 같은 평판 수직 트랜지스터 구조를 개시하고 있으며 VFT에서는 전자들이 진공 자유 공간을 돌아다니며 이로 인해 이 구조를 활용하는 소자의 고속동작을 가능하게 한다. 평판 타입의 구조는 도체들로 이루어진 소스와 드레인에 의하여 형성되는데, 이것은 진공 채널을 가지는 얇은 채널 절연체 간에 미리 정해진 거리에 있다; 소스와 드레인 아래에 일정너비로 형성된 도체들로 구성된 게이트, 소스와 드레인으로 부터 게이트를 절연하는 기능을 수행하는 채널 절연체; 그리고 채널 절연체와 게이트를 받치기 위한 기초로서의 절연된 몸체. 진공전계트랜지스터는 드레인과 진공채널 사이,및 소스와 진공채널 사이의 접촉영역에 낮은 작동기능 재료를 포함한다. 수직타입 구조는 빈공간 중앙에 전도성, 연속성이 있는 원형 소스를 포함하는데 채널 절연체 상에 형성된다: 채널 절연체 아래에 형성된 전도성이 있는 게이트가 소스까지 이어져 있는 전도성이 있는 게이트: 채널 절연체와 게이트를 지지하기 위한 기초로 제공되는 절연 몸체: 폐쇠 된 진공채널을 형성하는 소스 위에 있는 절연 벽들: 진공채널 위에 형성된 드레인. 전자들이 소스로부터 진공채널을 통과하여 드레인으로 방출되어 전기장을 형성할 수 있도록 하기 위하여 두 개 타입 모두 적당한 바이어스 전압이 게이트,소스와 드레인에 인가된다.
영국특허번호 제347544호는 가스 또는 증기로 충전된 포토 일렉트릭 셀을 개시하고 하고 있다. 셀은 충전물 내의 전자의 자유 경로와 같거나 적은 음극으로부터의 거리에 격자를 가지고 있다. 양극은 빛이 통과하는 링으로 구성되어 있다. 전자들을 음극으로 돌아가지 못하게 하기 위하여 격자가 10 볼트보다 크지않은, 그리고 바람직하게는 1 내지 5볼트인 전위차로 상승된다. 충전물은 1 밀리미터의 수은 증기압에서의 아르곤 또는 네온일 수 있다.
미합중국특허번호 제4,721,885호는 아주 높은 속도의 통합된 마이크로 전자 튜브를 개시하고 있다. 마이크로 전자 튜부의 배열 장치는 판 모양의 기판을 포함하고, 기판 상에 바늘 모양의 음극 전극들이 위치한다. 배열 장치 내의 각 튜브는 음극 전극으로부터 공간적으로 떨어진 양극 전극을 포함한다. 각 튜브는 대략 대기압 1/100과 1사이의 압력의 가스를 포함하고 있고, 음극 전극들과 양극 전극들의 말단부 사이의 공간은 0.5 마이크로 미터와 같거나 작다. 튜브들은 음극 및 양극 전극들 사이의 가스 내에서 움직이는 전자들의 평균 자유 경로가 음극 전극 및 연관된 양극 전극의 말단부 사이의 공간보다 같거나 크도록 하는 전압에서 동작한다.
미합중국특허번호 제4,990,766호는 고체 상태 전자 증폭기를 개시하고 있다. 이 미세전압 제어 전계 방출 전자 증폭기 소자는 소자의 전계 방출 전류를 변조하고 제어하도록 이용되는 개별적인 음극 임피던스를 가지고 있는 전계 방출 음극들의 밀집한 배열 장치로 구성되어 있다. 이러한 임피던스들은 빛, X-레이, 적외선 복사 또는 분자 충격(particle bombardment)와 같은 외부 자극에 민감하도록 선택되어서, 전계 방출 전류가 제어용 자극의 강도에 비례하여 공간적으로 변동한다. 상기 소자는 인화 스크린(phosphorus screen) 또는 다른 적당한 반응 요소가 제공될 때 고체 상태 이미지 변환기 또는 강화기로서 기능을 할 수 있다.
국제특허번호 제WO 96/10835호는 감광 표면(photosensitive surfaces) 상의 인쇄를 위한 광학 프린터의 전계 방출 CRT를 활용하는 프린트 헤드를 개시하고 있다. 양극 아퍼츄어(aperture) 내에서 원추형을 방출하는 음극으로 이루어진 복수 개의 작은 전자 집합들은 순환 대기 내의 전자의 평균 자유 경로보다 작은 간격을 형성하고 상기 집합들은 바람직하게는 본질적으로 열로 나뉜(columnated) 광선을 형성하도록 가깝게 위치한다. 제3의 전극은 바람직하게는 음극과 분리된 상기 광선을 가속하고 마무리한다. 상기 광선은 이후에 형광체 막(luminophor film)으로 입사되어, 여기되고 그로 인해 빛을 생성하게된다. 상기 빛은 광섬유 면판과 같은 전달 면판(transmissive face plate)을 통하여 전달되어 감광 재료로 입사된다.

새로운 전자 방출 소자를 제공함으로, 일반적인 전자소자들과 특히 트랜지스터들의 성능의 현저한 진보와 그들의 제조 및 활용을 용이하게 하는 기술이 필요하다.

새로운 기술에 기초한 본 발명에 따르는 전자 방출 소자는, 활용을 위해 필요한 것을 줄여 주며, 혹은 적어도 현저하게 장치 내부의 진공환경에 필요한 것들을 줄여주며, 장치 작동 양극과 음극 전극 사이의 상당한 거리에서의 효과적인 장치 작동을 가능케 하는 것은 물론, 비슷한 사양의 기존의 소자들보다 더욱 안정하고 높은 전류 운용이 가능하고, 특히 커다란 에너지 손실에 기인한 단점이 없으며, 또한 발광에 대하여 강하다. 광전자 효과를 이용하면 이것이 가능한데, 광전자들은 고체 전도 물질로부터 전자를 방출시키기 위하여 사용되며, 전도 물질의 일의 함수(work function)이상의 광전자 에너지가 제공된다. 발명의 소자는 전자 방출 스위칭 소자로 구성할 수 있다. "스위칭"이라는 용어는 본 소자(양극과 음극 사이의 전류)를 통한 전자 전류의 변화에 관하여, 사용 모드나 불사용 모드 사이의 변환, 전자 전류의 수정, 전류 등을 증폭시키는 것과 같은 효과를 포함한다. 이와 같은 스위칭은 소자의 전극들 간의 일정한 전위차를 유지하는 동안에 음극의 조도를 연속적으로 변화시킴으로 서, 혹은 음극의 조도가 유지되는 동안에 소자의 전극들 간의 전위차를 연속적으로 변화시킴, 혹은 이와 같은 테크닉들의 조합에 의하여 수행될 수 있다.

본 발명의 넓은 견지에서 따르면, 적어도 한 개의 음극 전극과 적어도 한 개의 양극 전극을 포함하는 전극들의 배열로 구성된 전자 방출 소자를 제시하며, 상기 음극과 양극 전극들이 공간적으로 분리된 관계에 있도록 배열된다; 상기 장치는, 상술한 적어도 하나의 음극 전극을 여기(exciting) 조도에 노출시키는 것으로 구성되어지고, 이것에 의하여 상술한 음극 전극으로부터 전자가 방출되며, 상기 소자는 광전자 방출 스위칭으로 활용이 가능하다.

첫 번째와 두 번째 사이의 전극들 간의 간극은 진공 간극 혹은 가스-매체(예, 공기) 간극이어도 좋다. 음극으로부터 양극까지 가속된 전자들의 평균자유경로는 양극과 음극 전극 사이의 거리(간극 길이보다 크다) 보다 커야하는데, 충분히 낮은 간극 가스압력이 이를 보장한다.

전극은 금속이나 반도체 소재들로부터 제조될 수 있다. 가급적이면, 음극 전극은 상대적으로 낮은 일의 함수 혹은 음전자친화도(다이아몬드나 GaAs가 표면에 코팅된 세슘 같은 것)를 가진다. 이것은 적절한 소재들로부터 전극들을 제조함으로서 또는/그리고 음극 전극 위에 무기물이나 유기물을 코팅(코팅은 표면에 쌍극자 층을 형성하여 일의 함수를 줄임)하는 것으로 얻어질 수 있다.

음극 전극은 횡단면의 실제 적인 면적이 60nm를 넘지 않는(예, 반경이 30nm)날카로운 말단부를 가지는 부분에 형성이 될 수 있다.

소자는 스위칭함수를 구현하는데 활용되는 제어유닛을 구비하고 있다. 제어유닛은 음극 전극의 조도를 유지하는데 활용되며, 음극과 양극 사이의 전위차에 작용하여 스위칭을 작용시키며, 그리고 그것에 의하여 그들 사이의 전자 전류에 영향이 미친다. 선택적으로, 제어유닛은 조도를 변화시키기 위한 발광 어셈블리를 적절하게 제어함으로 일의 함수에 영향을 미치며, 이것은 전기 전류에 영향이 미친다.

상기 전극들의 배열은 하나 혹은 그 이상의 양극 전극들을 구비한 음극 전극들의 배열(적어도 두 개); 혹은 동일한 음극 전극을 구비한 양극 전극들의 배열(적어도 두 개)을 포함할 수 있다. 다중 양극과 단일 음극 배열의 실시 예를 고려해 보면, 제어유닛은 이들 간의 전위차를 변환시켜서 음극 전극의 조도를 유지하고, 양극 전극들 상호 간이나 음극 전극 사이의 전류를 제어하는데 활용될 수 있다. 일반적으로, 양극과 음극 전극의 다양한 조합은 본 발명의 소자에 사용되어 질 수 있다. 예를 들면 전극의 배열은 다양하고 특이한 구조로 형성될 수 있다. 음극과 양극 전극은 각각 동일 평면이나 서로 다른 평면에 구비되어 질 수 있다.

전극의 배열은 음극과 양극 전극들로부터 전기적으로 절연된 적어도 한 개의 추가된 전극(게이트)을 포함할 수 있다. 게이트 전극은 평면이나 평면이 아닐 수 있다(예, 실린더 모양의 형상). 게이트 전극은 음극과 양극 전극들 사이에 위치한 그리드(grid)로 구성되어 질 수 있다. 상기 게이트 전극은 공간적으로 나눠진 평면과 상기 음극과 양극 전극들이 놓여 진 평면에 평행하게 구비되어 질 수 있다; 혹은 상기 음극, 양극과 게이트 전극들은 모두 서로 다른 평면들에 위치될 수 있다.

게이트 전극은 음극과 양극 전극들 사이의 전류 제어로 사용되어 질 수 있다. 예를 들면, 제어유닛은 음극의 일정한 조도를 유지하는데 활용되며, 그리고 게이트로 전압 공급을 변화시키면서 음극과 양극(그들 사이에 일정한 전위차를 유지함)사이의 전류에 영향을 준다.

전극의 배열은 음극과 양극 전극으로부터 전기적으로 절연되고 공간적으로 떨어진 관계 속에 배열되어 있는 게이트 전극들의 배열을 포함할 수 있다. 소자는 예를 들면 다양한 논리회로, 혹은 순차적으로 바뀌는 다양한 전자회로들의 실행으로 구현될 수 있다.

일반적으로, 전극들의 배열은 적절한 구성, 예를 들면 정전용량(커패시턴스)를 낮추게 설계된 4극 진공관이나 5극 진공관, 기타 등등으로 구성될 수 있다. 상기 전극들의 배열은 음극과 게이트 전극들의 한 벌로 구성되어 진 양의 전극의 배열을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어유닛은 음극 전극의 일정한 조도를 유지하고, 그리고 게이트 전극에 인가되는 전압을 변화시킴으로 음극과 양극 전극들 사이의 전류를 제어하는데 활용된다.

본 발광 어셈블리는 광원을 하나 또는 그 이상 포함할 수 있으며, 그리고/또한 환경광을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 제한 없는 실시 예들에서, 발광 어셈블리는 낮은 압력의 방전 램프(예, Hg램프), 그리고/또는 높은 압력의 방전 램프(예, Xe램프), 그리고/또는 연속적인 웨이브(wave) 레이저 장치, 그리고/또는 펄스(pulsed) 레이저 장치(예, 고주파), 그리고/또는 적어도 한 개의 비선형 크리 스탈, 그리고/또는 빛을 방출하는 적어도 한 개의 다이오드를 포함할 수 있다.

음극과 양극 전극은 그들의 자성 모멘트의 방향이 반대인 점에서 다른데, 이 때문에 스핀밸브(spin valve) 기능수행이 가능한, 강자성을 띈 소재들로부터 제조될 수 있다(Phys Rev. B, Vol. 50, pp. 13054, 1994). 소자는 그것의 SPIN UP 과 SPIN DOWN 상태 사이에서 음극과 양극 전극들 중 하나의 변환에 의하여, 그것의 활성과 비활성 간의 상태를 변환할 수 있다. 끝으로, 소자는 외부 자기장을 전극들 배열에 인가시켜서 작동시키는 자기장 소스를 포함한다. 외부 자기장의 적용은 그것의 SPIN UP 과 SPIN DOWN 상태 간의 한 개의 전극들을 변환 시킨다.

음극 전극은 비 강자성 금속이나 반도체로부터, 양극은 강자성 소재로부터 만들어질 수 있다. 이 건에서, 발광 어셈블리는 구비되며, 음극으로부터 스핀 극성 화 된 전자의 방출을 유도하기 위하여 원형 극성 화 된 빛을 생성하기 위해 작동한다. 소자는 SPIN UP 과 SPIN DOWN 간의 높은-전환 상태 사이에서 양극을 변환하거나, 음극 발광의 극성 화를 변화시켜서 그것의 활성과 비활성 간의 상태를 변환 시킨다. 발광하는 빛의 극성화의 변환은 방출된 빛의 광 행로에서의 극성 화 된 회전자(예, λ/4 plate)와 비(specific)극성화 빛을 방출하는 한 개 혹은 그 이상의 빛 소스를 사용함으로 얻어질 수 있다.

음극 전극은 상기 음극 전극을 여기 하는데 사용되는 파장의 범위를 위하여 투명한 기판 위에 배치될 수 있다. 이 건에서, 발광 어셈블리는 투명한 기판을 통한 음극 전극 발광을 유도할 수 있다. 선택적으로 혹은 추가 적으로, 음극을 구비한 기판(그리고 음극 또한 가능함)은 투명하며 음극의 그것으로부터 이 격 된 평면상에 위치될 수 있고, 이것 때문에 양극을 구비한 기판 영역을 통하여 상기 음극의 발광(혹은 양극을 구비한 기판과 상기 양극을 통하여, 본 케이스에서)이 가능하다.

일반적으로, 근래에 진보한 나노-테크놀러지 영역, 그리고 특별히 광 리소그래피 영역에서 발명의 소자는 저비용 초미세 구조로 제작이 가능하다. 전극의 배열은 음극과 양극 전극들을 구비하기 위한 첫 번째나 두 번째 기판 층을 포함하는 집적구조이다; 그리고 첫 번째와 두 번째 기판 층 사이가 공간 층인 구조. 공간 층 구조는 음극과 양극 전극 간의 간극을 한정하기 위하여 패턴되어 진다. 공간 층 구조는 적어도 하나의 유전체 물질 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 공간 층 구조는 첫 번째와 두 번째 유전체 층과 그들 간에 전기적으로 절연된 층(게이트)을 포함한다. 첫 번째와 두 번째 회로 중 하나 혹은 그것들 모두는 상기의 여기 하는 파장범위의 견지에서 투명한 물질로 만들어지고, 이것은 음극의 발광을 가능하게 한다.

전극들의 배열은 서브-유닛들의 배열을 한정하기 위해 집적된 구조로 구성될 수 있고, 각 서브-유닛은 하기에 상술한 구조를 가진다. 말하자면, 집적구조는 공간적으로 분리된 음극 전극들의 배열을 구비하기 위한 첫 번째 기판 층을 포함한다; 공간적으로 분리된 양극 전극들의 배열을 구비하기 위한 두 번째 기판 층; 그리고 첫 번째와 두 번째 기판 층 사이의 공간 층 구조. 공간 층 구조는 전극들의 첫 번째와 두 번째 층의 공간적으로 분리된 간극들의 배열을 한정하기 위해 패턴 되어 진다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전자 방출 장치는 공간적으로 분리된 관계로 배열된 적어도 하나의 음극 전극과 적어도 하나의 양극 전극을 포함하는 전극들의 배열로 구성된다; 상기 소자는 상술한 적어도 하나의 음극 전극을 여기 하는 조도에 노출시켜 이것으로부터 전자를 방출시키게 하는 구조를 가지며, 상기 소자는 음극과 양극 전극 사이의 전류에 작용하여 광전자방출 스위칭 장치로서 활용되며, 상기 스위칭은 하기에 따르는 적어도 하나에 의하여 효과가 발생한다: 상기의 조도 변화: 음극 전극, 그리고 음극과 양극 전극 간의 전기장의 변화.

상기 전기장은 음극과 양극 전극 간의 전위차의 변화에 의하여 변화되거나, 혹은 게이트 전극으로의 전압인가 변화를 통한 적어도 하나의 게이트 전극을 사용할 때 변화될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전자 방출 장치는 공간적으로 분리된 관계 속에 배열된 적어도 하나의 추가적인 전극과, 적어도 하나의 양극 전극, 적어도 하나의 음극 전극을 포함하는 전자의 배열로 구성된다; 상기 소자는 상술한 적어도 하나의 음극 전극을 여기 하는 조도에 표출시키는 구조로 되어, 이로 인하여 적어도 하나의 발광 되는 음극 전극으로부터 적어도 하나의 양극 전극으로 향하는 전자의 방출을 발생시킨다; 상기의 소자는 음극과 양극 전극 간에 전류를 적용하여 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다. 상기 스위칭은 하기에 따르는 적어도 하나에 의하여 효과가 발생한다: 상기 음극 전극의 조도의 변화, 그리고 양극과 음극 전극 간의 전기장의 변화.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전자 방출 장치는 적어도 하나의 양극 전극과 적어도 하나의 음극 전극을 포함하는 전극들의 배열로 구성된다. 상기 음극과 양극 전극은 그들 상호 간 가스-매체 간극을 가진 공간적으로 분리된 관계 속에서 배열이 된다; 상기 소자는 상술한 적어도 하나의 음극 전극을 여기 하는 조도에 표출시키는 구조로 되어, 이것에 의하여 상술한 적어도 하나의 발광 되는 음극 소자로부터 전자의 방출을 발생시키고, 상기의 소자는 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전자 방출 장치는 적어도 하나의 음극 전극과, 적어도 하나의 양극 전극, 그리고 공간적으로 분리된 관계 속에 배열된 적어도 하나의 추가적인 전극을 포함하는 전극의 배열을 구성한다; 상기 소자는 상술한 적어도 하나의 음극 전극을 여기 하는 조도에 표출시키는 구조로 되어, 이로 인하여 적어도 하나의 발광 되는 음극 전극으로부터 적어도 하나의 양극 전극으로 향하는 전자의 방출을 발생시킨다; 상기의 소자는 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 집적 소자는 전자 방출 유닛의 기능을 하는 적어도 하나의 구조로 구성한다. 적어도 하나의 구조는, 적어도 하나의 유전체 층을 포함하는 공간 층 구조에 의하여 서로 가 각각 분리된 첫 번째나 두 번째 기판 층에 의하여 구비된 적어도 하나의 음극 전극과 적어도 하나의 양극 전극으로 구성된다. 공간 층은 음극과 양극 전극 간의 간극을 한정하기 위하여 패턴화되고 지고, 일정한 여기 하는 발열을 고려한 투명한 소재로 만들어진 적어도 하나의 첫 번째와 두 번째 기판으로 인하여 거기에서 전자들을 방출하게 야기하는 적어도 하나의 음극 전극의 발광이 가능하고, 소자는 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 집적 소자는 전자 방출 유닛의 기능을 하는 적어도 하나의 구조로 구성한다. 적어도 하나의 구조는, 유전체 층들 사이의 전기적으로 전도성 있는 층과 첫 번째와 두 번째 유전체 층을 포함하는 공간 층 구조에 의하여 서로 가 각각 분리된 첫 번째나 두 번째 기판 층에 의하여 구비된 적어도 하나의 음극 전극과 적어도 하나의 양극 전극으로 구성된다. 공간 층은 음극과 양극 전극 간의 간극을 한정하기 위하여 패턴화되고, 일정한 여기 하는 발열을 고려한 투명한 소재로 만들어진 적어도 하나의 첫 번째와 두 번째 기판으로 인하여 거기에서 전자들을 방출하게 야기하는 적어도 하나의 음극 전극의 발광이 가능하고, 상기 소자는 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 집적 소자는 전자 방출 유닛의 기능을 하는 적어도 하나의 구조로 구성한다. 소자는 공간적으로 분리된 음극 전극들의 배열을 구비하는 첫 번째 기판 층, 공간적으로 분리된 양극 전극들의 배열을 구비하는 두 번째 기판 층으로 구성된다; 그리고 첫 번째와 두 번째 기판 간의 공간 층 구조, 상기 공간 층 구조는 적어도 하나의 유전체 층을 포함하고 상기 각각의 음극과 양극 전극 서로 간의 간극들의 배열을 한정하기 위하여 패턴화되고, 일정한 여기 하는 고려한 투과성이 있는 소재로 만들어진 적어도 하나의 첫 번째와 두 번째 기판으로 인하여 거기에서 전자들을 방출하게 야기하는 상기의 적어도 하나의 음극 전극의 발광이 가능하고, 상기 소자는 광전자 스위칭 소자로 활용가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광전자방출 스위칭 소자로서의 전자 방출 소자의 작동 방법, 상기 방법은 상기 음극 전극으로부터 양극 전극으로의 전자의 방출을 야기하는 일정한 여기 하는 발광에 의한 음극전극의 발광 구성을 포함, 그리고 하기를 따르는 적어도 하나 이상에 의한 상기 스위칭의 적용: 상기 음극의 상기 조도의 제어가능한 변화, 상기 음극과 양극 전극 간 제어가능한 전기장의 변화.

상기에서 지적한 바처럼, 음극과 양극 전극은 가스-매체 간극(예, 공기,불활성 기체)에 의해서 서로로부터 분리될 수 있다. 이와 같은 소자는 상기 광전자 효과를 이용하거나 그렇지 않을 수 있다. 요컨대, 본 소자는 새로운 기술, 말하자면 "가스-나노-테크놀러지"에 기초를 둔다. 이 기술은 상기 진공 마이크로일렉트로닉스의 상기 약점에서 자유로우며, 그리고, 전자공학에 기초한 상기에 나타낸 현재 반도체와는 반대로 커다란 에너지 손실을 고민하지 않고, 발광에 대하여 강인하다. 상기 본 발명의 가스-나노 소자는 공기 중이나 다른 가스 환경상에서 전자의 이동을 위하여 제공된다. 소자는 디스플레이 소자 혹은 스위칭 소자로서 구성되거나 활용될 수 있다.

요컨대, 발명의 또 다른 측면에 대하여 상술하건대, 전자 방출 소자는 적어도 하나의 음극 전극을 가지는 적어도 하나의 유닛과 공간적으로 분리된 관계 속에 배열된 적어도 하나의 양극 전극을 포함하는 전극의 배열을 포함하며, 상기 음극과 양극 전극은 상술한 가스-매체 속의 전자의 평균자유경로를 실질적으로 초과하지 않는 가스-매체 간극에 의한 상호 간에 분리가 된다.

본 발명을 이해하고 이것이 어떻게 실질적으로 구현되는지 알기 위하여, 본 예에 국한되지 않는 방법으로, 첨부한 도면을 참조하여, 적절한 실시 예가 지금 예시될 것이다, 여기에:

도1 다이오드 구조로서 실시가능한, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전자 광전자 스위칭 소자의 개략도;

도2 삼극관 구조로서 실시가능한, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전자 광전자 스위칭 소자의 개략도;

도3A-3C 도2의 소자로 사용가능하도록 적합하게 설계된 상기 전극들의 배열의 몇 가지 실시 예를 보임;

도4 보통의 음극 전극을 구비한 양극 전극의 배열을 포함하는 상기 전극들의 배열이 있는 상기 본 발병의 전자 광전자 스위칭 소자의 또 다른 구성 예;

도5 상기 본 발명의 전자 광전자 스위칭 소자의 또 다른 구성 계략도;

도6 도1의 상기 소자로서 상기 본 발명의 전자 방출 소자의 실시의 실험적인 결과를 예 증;

도7A에서 7C는 상기 본 발명의 상기 형상을 예 증 하는 또 다른 하나의 실험적인 결과를 보여주고, 도7A에서 단순 평면의 삼극관 구조로 배치된 상기 본 발명의 전자 광전자 스위칭 소자를 보여준다; 도7B와 7C는 상기 측정 결과를 보여준다: 도7B는 게이트-그리드 상의 다른 전압으로 상기 양극에 측정된 볼트-암페어 특징들을 보여준다, 도7C는 양극 상에 상이한 전압들을 위해 상기 게이트 전압의 역할을 하는 상기 양극 전류를 보여준다;

도8A에서 8E 본 상기 발명의 마이크론 범위에서의 전자 광전자 방출 스위칭 소자의 실시 예, 도8A는 도8B의 다중-유닛 소자의 기본 유닛 소자를 보여준다; 도8C-8E는 도8A 의 상기 소자의 상기 작동의 정전 시연을 보여준다;

도9A-9C 상기 본 발명으로 구성된 전자 광전자 방출 스위칭 소자의 또 다른 시와 트랜지스터 구조상에서 스핀트로닉효과를 이용하는 것이 가능함을 예시한다.

도1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시 예에 따라 구성되어 진 전자소자 10 이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 소자는 전자 광전자 스위칭 소자로 활용가능하도록 구성된 소자이다. 본 예에서, 상기 소자는 다이오드 구조로 구성되어 있다. 소자 10은 첫 번째 음극 전극 12A와 두 번째 양극 전극 12B 로 형성된 전극의 배열 12로 구성되며, 이것은 그들 간의 간극 15가 있는 공간적으로 떨어진 관계에 있는 기판 14의 윗부분에 배열된다. 상기 소자는 음극 12A를 양극으로부터 전자 방출을 유발하기 위하여 여기 발열에 표출시키는 구조이다. 본 예에서, 소자는 음극 전극 12A로 지향하고 발광이 가능 한 발광 어셈블리 20을 포함하며, 이것은 상기 음극으로부터 상기 양극으로 전자의 방출을 유발한다.

상기 스위칭(i.e.,상기 음극과 양극 간의 전류의 적용)은 상기 양극과 음극 전극간의 전자장의 적절한 적용과 상기 음극 전극의 상기 조도에 의하여 제어된다. 본 예에서, 상기 음극과 양극은 그들 서로 간 일정한 전위차로 유지될 수 있으며, 스위칭은 상기 조도의 세기 변환에 의하여 구현된다. 스위칭 효과를 내기 위한 또 다른 예는 일정한 조도의 세기를 유지하는 가운데서의 상기 전극들 간의 상기 전위차 수정이다. 다른 예는 상기 전극들 간의 상기 전위차와 상기 조도 모두 수정하는 것이다. 상기 조도의 수정은 다른 여러 가지 방법, 예를 들면 빛 발광 어셈블리의 상기 동작 방법의 수정이나, 극성 화 내지 방출된 빛의 위상 수정, 기타 등등에 의하여 구현될 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 상기 소자 10은 특히 상기 음극과 양극 전극에 전압을 공급하기 위한 전압 공급 유닛 22를 포함하는 제어유닛 22, 그리고 상기 발광체 20의 작동을 위해 적절한 조도 제어 유틸리티 22B를 구비한다.

상기 양극과 음극 전극 12A 와 12B는 금속이나 반도체 소재들로 제조될 수 있다. 가급적이면 상기 음극 전극 12A는 전극의 일의 함수를 낮춰준다. 음전자 친화도(NEA) 물질들이 사용될 수 있고(예, 다이아몬드), 이것은 광전자방출을 유발하기 위하여 필요한 상기 광자 에너지(여기 하는 에너지)를 줄인다. 일의 함수를 낮추는 다른 방법은 상기 음극 전극 12A에 유기물이나 무기물 소재를 코팅하거나 도핑을 하는 것인데(코팅 16은 도면상의 지시 선이 예시함) 이는 상기 일의 함수를 낮춘다. 이것이 될 수 있는 것의 예를 들면, 금속,복합-알카라인, 중-알카라인, 혹 은 모든 NEA 소재, 혹은 세슘으로 코팅 혹은 도핑 한 GaAs 전극이며 이에 따르면 약 1-2eV 의 일의 함수를 얻는다. 또한 상기 유기물 혹은 무기물 코팅은 상기 음극 전극을 오염으로부터의 보호를 제공한다. 상기 발광 어셈블리 20은 상기 장치에서 사용되는 상기 음극 전극의 상기 여기 하는 조도를 포함하는 파장의 범위에서 작동하는 한 개 혹은 그 이상의 광원을 포함한다. 여기에 한정되지 않고, 저압램프(예, Hg램프), 다른 램프들(예, 고압의 Xe램프), 연속하는 파장(CW) 레이저 혹은 펄스 레이저(고주파 펄스), 하나 혹은 그 이상의 비선형 크리스탈들, 혹은 하나 또는 그 이상의 광 방출 다이오드들(LEDs), 또 다른 광원 혹은 광원들의 조합은 발광 어셈블리가 될 수 있다.

상기 발광 어셈블리 20에 의하여 빛은 생성되고 상기 전극(들) 혹은 상기 투과성 기판 14를 통하여 직접 조사될 수 있다(상기도면상의 지시 선에 보이는 것처럼).

상기 음극과 양극 전극 12A 와 12B 는 상기 진공 혹은 가스-매체(예, 공기, 비활성 기체) 간극 15에 의하여 서로로부터 분리될 수 있다. 도면상의 지시 선들에 의하여 보여 진 상기 전체 소자 10 혹은 전극들의 배열만이 가스로 채워지고 캡슐화될 수 있다. 상기 음극으로부터 상기 양극으로 가속되는 전자들 자유 행정 경로가 상기 음극과 상기 양극 전극 간의 거리( 상기 간극 15 길이)보다 커야 하는 것을 보장하기 위하여 상기 가스 압력은 충분히 낮고, 이것은 각 전극들 간이 진공일 필요성을 제거하거나, 적어도 상기 진공 필요성을 현저하게 줄인다는 것은 물론이다. 예를 들면, 상기 음극과 양극 층들 사이의 간극이 10 마이크론이기 위해선 상 당한 mBar의 가스 압력이 사용되어 질 수 있다. 달리 말하면, 상기 전극 12A 와 12B 간의 간극의 길이는 실질적으로 상기 가스 환경에서 전자의 자유경로를 실질적으로 초과하지 않는다.

상기 본 (상기 음극 조도)발명의 상기 법칙은 상기 전통적인 진공에 기초한 전기장 방출 소자에 유리하게 사용되어 질 수 있음은 물론이거니와 상기 음극 전극 소재의 일의 함수를 낮추는 상기 조건, 그리고/혹은 형상, 그리고/혹은 높은 전기장을 위한 상기 필요를 줄이는 것을 현저하게 줄인다.

도 1의 파선에 나타난 것과 같이, 상기 음극 전극 12A는 실질적으로 (예,반지름이 약 30nm이하인)횡단면면적이 60nm를 넘지 않는 날카로운 말단부 17을 가지도록 설계되어 질 수 있다. 이와 같은 상기 음극의 설계는 전형적으로 평면-말단부 음극으로 된 것에 비하여 낮은 전위차에서 상기 소자 작동이 가능하도록 사용되어 진다. 그러나, 상기 음극의 조도의 상기 사용은 날카로운 말단부 가진 상기 음극을 만들기 위한 상기 필요를 실질적으로 제거한다는 점에서 중요하다. ( 상기 음극의 조도에 사용되어 진다)상기 본 발명의 상기 소자를 상기 열거된 종류의 상기 전통적 소자들과 비교하자면, 상기 전극들의 표현 효과에서의 상기 변화들에 더 향상된 전류 안정성과 낮은 민감성, 뿐만 아니라 상기 음극과 양극 간의 더 떨어진 거리에서 효과적인 소자작동을 실현하는 것의 가능성, 그리고 상기 음극의 날카로운 말단부의 불필요로 특징지어진다. 상기 음극 조도의 사용은 낮은 전압에서의 작동을 위해 제공되는데, 즉, 상기 양극에 도착하는 전자들의 에너지가 낮아져 불협화음이나 증발 같은 양극 전극에서의 불필요한 효과들을 방지한다.

도2는 삼극관 구조체로 설계된 상기 본 발명의 전자 광전자 스위칭 소자 100을 개략적으로 보여준다. 이해를 용이하게 하기 위하여, 상기 동일한 참고문헌 번호들은 상기 발명의 모든 상기 예들에서 일반적인 구성요소들을 확인하기 위하여 사용되어진다. 상기 소자 100은 (진공이나 가스-매체 간극)간극 15에 의하여 서로로부터 공간적으로 떨어진 음극과 양극 전극 12A와 12B에 의하여 형성된 전극들의 배열 12를 포함하고, 게이트 전극 12C는 상기 음극과 양극 전극으로부터 전기적으로 절연된다. 상기 본 예에서, 상기 게이트 전극 12C는 절연체 18에 의하여 그곳으로부터 분리된 상기 양극 12B 위에 위치되어 진다. 전자들의 (발광기)추출기 20은 (상기 그림에 보여 진) 직접 또는 시각적으로 투과성이 있는 기판 14를 통하여 적어도 상기 음극 전극을 조사하도록 구비되어 진 것이 제공되어 진다.

도 2의 상기 구조에서, 상기 전극 12B와 12C는 각각 양극과 스위칭 제어 요소로서 역할을 한다. 좀더 구체적으로, 상기 음극과 양극 사이의 전류의 변화는, 상기 음극과 양극 사이에서의 음극의 일정한 조도와 일정한 전위차가 유지되는 동안에 상기 게이트로의 선택적인 전압 공급에 의해 영향을 받는다.

그러나, 스위칭은 또 다른 구성들을 사용해도 구현해낼 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 전극들 12B와 12C의 스위칭에 의해, 전극들 12B와 12C를 함으로써, 상기 "Gate" 전극 12C를 완전히 제거하고, (도1의 상기 구성에서 보여 진) 그들 간의 상기 전압 공급에 의해 전극들 12A 와 12B의 상기 전류를 제어함으로써, 그리고/혹은 상기 조도 세기를 변화시킴으로.

도 3A-3C는 상기 장치 100에 사용되기 위해 적합한 상기 전극들의 배열 배치 의 몇 가지 가능한 자명한 방법에 한정되지 않은 예를 보여준다.

도4는 상기 본 발명, 일반적으로 설계된 200, 전자 광전자 방출 스위칭 소자의 또 다른 구성을 예시한다. 여기, 전극들의 배열 12A는 음극 전극 12와 공간적으로 분리된 음극 전극들 12B의 (일반적으로 적어도 두 개)배열을 포함한다 - 원호같이 혹은 원형으로 배열된 네 개의 이와 같은 양극 전극들은 상기 본 예에서 보여 짐. 상기 양극 전극들 12B는, 상기에서 묘사한 것과 같이 그들 간에 사용되어 진 간극이 진공인지 가스-매체 인지에 따라 상기 음극 전극 12A로부터 적절하게 이격되어 진다. 발광기 20은 상기 음극 층에 조사하기 위하여 구비되어 지며,상기 본 예에서 상기 음극 층에의 조사는 전극을 그 위에 수반하는 시각적으로 투과성이 있는 기판 14를 통해서 수행되어 진다. 상기 음극과 양극 전극은 각기 상기 전력 공급에 의하여 각각 처리된다. 상기 소자가 작동하는 동안에, 제어 유닛 22는 상기 음극 전극의 (혹은 제어가능하게 변환)일정한 조도유지와 그에 따른 그곳으로부터의 전자의 추출, 그리고 상기 각각의 양극 전극과 상기 음극 간의 전위를 선택적으로 인가하기 위하여 상기 발광기를 조작한다. 이것으로 보면, 데이터 흐름 연쇄는 창조되거나/다중화될 될 수 있다.

도5는 상기 본 발명의 전자 광자방출 스위칭 소자 300의 하기의 또 다른 예를 개략적으로 나타내기 위하여 만들어졌다. 상기 소자 300은 전극들의 배열 12와 발광기 20을 포함한다. 상기 전극 배열 12는 음극 전극 12A, 그리고 하나의 양극과 다중의 게이트 전극들 혹은 하나의 게이트 전극들과 다중 양극 전극들 중 하나를 포함한다. 상기 본 예에서, 게이트 전극 12C와 N개의 양극 전극들의 배열이 사용된 다-12B(1)-12B(5)와 같은 다섯 개의 양극 전극은 도면에 보여짐. 상기 발광기 20은 상기 음극 전극 12A를 발광시키기 위해 구비된다. 상기 본 예에서, 상기 소자는 상기 투과성 있는 기판 14를 통한 음극 조도를 허여하는 구조로 된다. 데이터 흐름 연쇄는 상기 음극과 양극 전극에 일정한 전압 공급을 유지하고 그리고 상기 음극 전극 1A의 (혹은 제어가능한 상기 조도 변화)일정한 조도를 유지하는 동안 상기 게이트 12C에로의 전압 인가 변화에 의하여 창조되거나/다중화될 수 있다. 상기 게이트 12C의 전압 변화는 상기 음극으로부터 상기 양극 전극으로의 상기 전극 경로를 결정한다: 상기 게이트 12C상의 음 전압의 절대값 증가는 상기 음극으로부터 양극 각각으로 의 전자들의 순차적 이동을 초래한다. 12B(1), 12B(2), 12B(3), 12B(4), 12B(5).

도6은 도1의 상기 상술한 소자 10 같이 구성된 전자들의 방출 소자의 상기 전동의 상기 실험적인 결과를 보여준다. 그래프 G는 상기 발광 어셈블리(도1의 20) 가 자체 (빛 노출)활동과 (빛 제거)비활동 위치 간에 변환할 때 상기 소자를 통한 전류의 상기 시간 변화를 제시한다. 본 상기 발명에서, 상기 음극과 양극 전극은 서로로부터 45nm 분리되어 있고, 그들 간의 전위차는 4.5V를 유지한다.

도7A-7C에 의한 참조는, 상기 본 발명의 현상을 나타내 주는 또 다른 실험 예의 결과이다.

도7A는 단순평면 삼극관 구조로 디자인된 상기 본 발명의 전자 광전자 스위칭 소자 400을 나타낸다. 상기 소자는 밀폐된 진공이며, 그리고 (일루미네이터)광원구조 20은 시각적으로 투과성이 있는 기판 14를 통하여 외부로부터 반도체 광자 음극 12를 발광시키는데 사용되었다. 전자들의 배열 12는 더 나아가 양극 전극 12B, 그리고 상기 음극과 양극 간에 그리드의 형상인 게이트 전극 12C를 포함한다.

상기 기판 14는 500마이크로미터 두께의 퓨즈를 단 실리카 그리스이다. 상기기 광 음극 12A는 상기 기판 14의 상기 표면상의 광-방출 코팅으로 만들어졌다. 상기 광 음극은 (0.1nm/sec)E-Beam 증발에 의하여 상기 회로 상에 위치되 15마이크로미터 두께의 (90%-10%) W-Ti)이다. 상기 게이트-그리드 12C는 50마이크로미터 직경을 가진 금속의 공간적으로 떨어진 평행하고 (중심 대 중심)와이어 서로 간의 공간이 150마이크로미터 분리됨에 의하여 형성된다. 상기 양극 전극 12B는 구리로 만들어지고 10nm의 두께를 가진다. 상기 광원 20은 상기(240-280nm) 효과적인 범위의 100mW의 상기 광 출력 전력을 가진( 초고압 머규리 램프)UV 소스이다. 빛은 특별히 액화된 광 가이드 21에 의해 상기 광 전극의 상기 후부 위에 가이드 된다. 상기 전극들 배열 12는 세라믹 밀봉 안에서 밀폐되어 지며, 측정하기에 앞서,공기는 10-5Torr압력을 달성하기 위해서 상기 밀봉에서 공기는 ( 단순 진공 펌프 사용)배출되어 진다. 측정되는 동안에, 상기 광 전극 12A는 안정이 유지된다.

도7B와 7C는 상기 측정 결과를 보여주며, 도7B는 상기 게이트-그리드 12C상의 다른 전압들에 의하여 상기(도7A 의 12B)양극 상에서 측정되어 진 전압-전류 특성, 그리고 도7C는 상기 양극 12B상의 다른 전압들에 의한 상기 게이트 전압의 함수로 써의 상기 양극 전류를 보여준다. 도면상의 그래프 H1-H13.7B 각각 대응하는 이하의 게이트 전압의 값은 0.4V, 0.2V, 0.0V, -0.2V, -0.4V, -0.6V, -0.8, -1.0V, -1.2V, -1.4V, -1.6V, -1.8V, 그리고 -2.0V. 도7C와 그래프들 R1-R10에 각각 대응하는 상기 양극의 따르는 값은: 10V, 20V, 30V, 40V, 50V, 60V, 70V, 80V, 90V 그리고 100V.

상기 발명자들은 예를 들면 Cs-Sb와 같은 더욱더 효과적인 광 전극 소재로 상기 W-Ti광 전극을 대체,광도의 6오더의 전류로 높이는 것을 달성 할 수 있고, 동시에 UV광원 대신에 단순한 LEDs를 사용하는 것이 가능한 명백한 스펙트럼 범위를 보여준다.

마이크로 스케일에서의 상기 본 발명의 전자 광전자 스위칭 소자의 또 다른 예시는 도 8A-8B에 의하여 참조 된다. 이와 같은 소자는 알려진 다양한 반도체 기술을 들을 이용하여 제작이 가능하다. 도8A는 도8B에서 복합-유닛 소자 600의 기본 유닛인 소자 500을 보여준다. 도8C-8E는 도 8A의 상기 소자의 상기 작동의 정전 상의 시연을 보여준다.

도 8A에서 보여 진 바와 같이, 상기 소자 500은 전자들의 배열 12와 광원 20일 포함한다. 상기 전자들의 배열 12는 공간 층 구조에 의하여 제한되는 그들 간의 간극 15에 의하여 공간적으로 나 뉘어진 상기 음극 전극 12A와 양극 전극들 12B에 의하여 규정되는 복합-층(stack) 구조이며, 트랜지스터 구성의 상기 본 예는 게이트 전압 12C를 포함한다.

상기 구조 23은 높은 전기적인 전도성 물질(예, 알루미늄 혹은 금)로부터 만들어진 상기 양극 12B 를 구비한 기초 기판 층 L1(절연물질, 예, 유리)을 포함한다; 유전체 물질 층 L2(예,규소, 약 1.5마이크로미터의 두께); 높은 전기적 전도성 물질(예, 알루미늄 혹은 금)로 부 터 만들어진 예를 들어 약 2마이크로미터 두께의 게이트 전극 층 L3; 더 나아가 유전체 물질 층 L4(예, 약 1.5마이크로미터 두께의 규소); 그리고 여기 발광(예, 석영)의 상기 스펙트럼 범위에 조사하기 위하여 투과성이 있는 재료로 만들어지고 반투과성 광전 방출 재료( 대략 몇 십 나노미터의 두께)로 부터 만들어진 상기 음극 층 12A를 구비한 상부 기판 층 L5; 상기 공간 층 구조(유전체와 게이트 층 L2 - L4 )는 상기 음극과 양극 간의 전극 12A와 12B 사이 상기 간극 15를 제한하고 게이트-그리드 전극 12C 제한하기 위하여 패턴화되어 진다. 상지 본 예에서,상기 간극 15는 약 3 마이크론의 넓이와 약 5 마이크론의 높이의 진공 도랑을 가진다.

상기해야 할 점은 기판 L1을 구비하는 상기 양극은 투과성이 있을 수 있으며 상기 조도는 상기 간극 15를 통하여 상기 소자의 상기 양극 쪽으로부터 상기 음극을 반영하는데 인가될 수 있다는 것이다. 본 사안에서 상기 음극 아래 상기 기판 L1의 상기 모든 표면은 상기 양극이 차지하고, 또한 상기 양극은 시각적으로 투과성이 있다. 반면에, 조도는 상기 양극을 구비하는 그 영역의 외부에서 상기 기판 L1의 영역을 통과하여 상기 음각에 직접 전달된다.

상기 소자 500(도 8B의 소자 600도 물론) 다른 여러 가지 구성을 사용하여 배치가 가능한데, 예를 들면, 양극과 음극은 서로 위치를 바꿀 수 있고,하나의 양극과 음극 모두, 혹은 그 둘은 모두 상기 대응되는 기판의 상기 전체 표면을 덮을수 있다( 물론 내부 전극 전기용량의 대량 상승과, 이것으로 인한, 고주파에서의 작동의 열악함). 상기 상부 기판 층 L5와 그 위에 있는 전극 층(상기 본 발명의 음 극 전극 12A)은 회로판 본딩, 플립칩 혹은 다른 기술들에 의하여 상기 유전체 층 L4 위에서 위치될 수 있다. 상기 간극 15의 상기 넓이와 상기 두께는 상기 소자의 기본적인 기능성이 각자 서로에게 나쁜 영향을 주지 않는다는 점에서 현저하게 변화가 가능하다. 상기 모든 면적은 중요성에 의하여 비율에 따라 줄이고 늘일 수 있고 상기 소자 작동의 동일 법칙은 그대로 적용된다.

상기 전압 방출 소자로부터 높은 출력 전류를 달성하기 위하여 수개의 이 같은 공동(cavities) 500이 평행하게 같이 연결될 수 있고, 도 8B의 예에서는 4개의 서브-유닛 500으로 구성된 상기 소자 600을 보여준다.

상기해야 할 점은 상기 도랑 15가 ,예, 몇 밀리미터의 크기(상기 평면 평판을 따른 넓이) 상대적으로 가질 수 있다는 점이다. 상기 전체 소자 600, 이 같은 넓이의 도랑을 몇천 개 정도 포함하고, 나란히 위치되어 있고, 약 1㎠ 영역을 점유할 수 있기 때문에 상대적으로 높은 전류 값을 산출한다. 모든 상기 양극 전극 12B, 음극 전극들 12A 그리고 게이트 전극 12C는 평행하게 연결되어 있고 총 전류 산출을 달성하기 위하여( 내부적인 결합은 본 도면에 나와 있지 않음). 선택적으로, 상기 소자유닛들은 ,예, 위상배열을 창조하기 위하여 개별로 접근되어 질 수 있다. 상기해야 할 점은 상기 광원 20은 단 하나의 광원 어셈블리를 포함할수 있으며 빛은 유닛들 500에게 빛을 적절하게 유도된다(예, 섬유조직을 통하여).

도8C-8E는 상기 소자 600의 서브 유닛이나 상기 소자 500의 상기 동작의 정전기적 시연을 보여준다. 용이하게 묘사하게 위하여 상기 전극들만 나타내지는데, 즉, 광 음극 12A, 음극 12B 그리고 게이트 12C. 이러한 시연들에서, 상기 광 음극 12A 는 발광되며 0V를 유지한다, 그리고 양극 12B는 5V. 도8C는 상기 상황에서 상기 게이트 전압은 -0.7V, 그리고 도8E는 -1V(양극 전류 없음)의 상기 게이트 전압에 대응한다. 전자들은 0.15eV의 Ek에너지를 가질 때 방출된다.

도9A-9C는 트랜지스터 구조에서의 스포트로닉 효과를 이용하는것이 실시가능하도록 그리고 상기 본 발명의 소자 구성의 다른 실시 예를 보여준다.

도9A는 전극들 배열 12( 음극12A, 양극 12B 그리고 게이트 12C)에 의하여 형성된 트랜지스터 구조를 포함한 상기 본 발명전기 광 전자 스위칭 소자 700A를 보여준다; 광원 20; 그리고 자기장 소스 30. 상기 음극과 양극 전극은 그들의 자기적 모멘트 방향이 반대이고,이 때문에 스핀 밸브를 수행하는 것에서 차이가 있는 강자성체 물질들로부터 만들어다. 상기 음극과 양극 전극 모두의 상기 스핀 업 상태에서의 작동은 신호-대-잡음의 진보를 제공한다. 상기 전극들의 배열에 외부 자기장을 제공하기 위하여 자기장 소스 30을 작동시키는 것은 스핀업과 스핀다운 상태 간에 상기 음극 혹은 양극 전극변환을 초래하며 이는 그것의 온과 오프 상태 간에 상기 트랜지스터의 변환을 초래한다.

도9B 와 9C는 전자 광전자 스위칭 소자들 700B와 700C의 예시이며, 음극은 넌-강자성체 금속이나 반도체로 만들어지고 그리고 양극은 강자성체 물질로 만들어진다. 이 사안에서, 스핀 극성화 전자는 상기 광원 20이 서로 다른 극성화의 빛이상기 음극 광에 선택적으로 인가하기 위하여 광원 20을 구현하고 적절하게 구성할 때 상기 음극으로부터 방출된다. 도9B의 상기 예에서 보여진 바 같이, 상기 광원 20은 극성화된 회전자 20B(예, λ/4 plate)를 구비한 단순 광원 어셈블리 20A를 포 함한다. 도9C의 상기 예에서, 상기 광원 20은 각각 다르게 극성화된 P1과P2의 빛을 생산하는 두 개의 광원 어셈블리(LS) 21A와 21B를 포함한다. 상기들의 예들에서, 그것의 온과 오프 상태간의 상기 트랜지스터 변환은 조사되는 빛( 예, 도9B의 상기 예에서 상기 극성화 회전자 20B가 조사된 빛의 상기 옵피컬 경로가 되기 위한 선택적인 작동, 혹은 도9C 의 상기 예에서 상기 빛 소스 21A와 21B중 하나의 선택적인 작동)의 상기 극성화 변화, 혹은 스핀업과 스핀다운 고 전송 상태간의 상기 양극 전극의 변화에 의하여 달성될 수 있다.

상기해야 할 점은 도9C의 상기 소자 구성은 상기 음극과 양극 간의 상기 전류를 제어하기 위하여 사용되어 질 수 있다. 본 사안에서, 상기 빛 소스 21A와 21B는 다른 비율로 작동이 된다. 더우기, 모든 상기에서 기술한 소자들은, 하나 이상의 음극, 양극, 게이트 그리고 광 소스는 사용되어 질 수 있다.

상기에 지적하였듯이, 상기 음극과 양극 전극 상호 간 간극은 가스-매체 간극(예, 공기, 비활성기체) 그리고 진공 간극이 아닌것 일수 있다. 상기 가스-매체 간극의 상기 길이는 상기 가스 환경에서의 전자의 자유행정경로를 실질적으로 초과하지 않아야 한다. 예를 들면, 상기 간극 길이 범위는 몇 십 나노미터(예,0.5nm)에서부터 몇 백 나노미터(예,800nm)까지이다.

상기 양극과 음극 간의 상기 가스-매체 간극을 가진 상기 소자 구성과 무시된 광전자 효과(예, 도1혹은 2에서 광원20의 제거)를 고려하면, 상기 스위칭은 상기 음극과 양극 전극간의 전위차 적용에 의해,이로 인한 그들 간의 전위자 적용으로 얻어질 수 있다;혹은 상기 음극과 양극에서의 일정한 전위차 유지와 상기 게이 트로의 전압공급의 적용. 도9A로 돌아가면, 가스-매체와 같은 것에 기초하여 스핀밸브를 수행하는데 광 전자 효과가 필요없는 가스-매체와 같은 것에 기초하는 소자도 상기의 동일한 법칙이 적용될 수 있음은 물론이다.

숙련된 기술분야의 전문가는 쉽사리 구현해 낼 것이어서, 다양한 변형들과 변화들은 위에서 언급한 상세한 설명처럼 상기 청구항이나 그것에 의하여 제한된 영역으로부터 이탈함이 없이도 상기 발명의 상기 실시 예들에 적용되어 질 수 있다.

Claims

음극 및 양극 전극이 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 적어도 하나의 광방출 음극 전극(12A)과 적어도 하나의 양극 전극(12B)을 포함하는 전극 배열 장치(12)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광방출 음극 전극을 발광 어셈블리(20)로부터 오는 여기 발광에 노출시켜 이로 인해 상기 음극 전극으로부터 전자들의 방출을 야기하도록 설정되고, 제어 유닛이 (i)음극의 전자 방출량을 제어할 수 있게 변경하는 동작 및 (ii)전극 배열 장치 내의 전기장을 제어할 수 있게 변경하는 동작 중 하나 또는 모두의 동작을 각각 수행함으로써 양극 전류에 영향을 미침으로써 스위칭 기능을 초래하기 위하여 발광 어셈블리 및 전극 배열 장치 중 하나 또는 모두에 동작 가능하도록 연결되어 있고, 상기 음극 및 양극 전극들이 가스 매체 간극에 의해 분리되어 있는 것인, 전자 스위치 소자(10, 100, 200, 300, 400, 50, 600, 700A, 700B, 700C).
제1항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 발광 어셈블리는, 상기 발광 어셈블리로 하여금 여기 발광을 일으키는 파장에서 작동하는 것임을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 양극 전극이, 상기 음극으로부터 전자를 방출시키는 여기 발광의 파장을 투과시키는 기판 상에 위치한 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 전극 배열 장치가, 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 양극 전극들의 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 전극 배열 장치가, 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 음극 전극들의 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
상기 제어 유닛이 음극 및 양극 사이의 전위차를 변경시킴으로써 양극 전류에 영향을 미치도록 설정되고 작동가능한, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 전극 배열 장치가 음극 및 양극 전극들과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 부가 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제8항의 전자 스위치 소자에 있어서, 부가 전극이 음극 및 양극 전극들 사이에 위치한 그리드로서 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제8항의 소자에 있어서, 부가 전극이 음극 및 양극 전극들이 위치한 평면으로부터 공간적으로 분리된 평면에 설치된 것을 특징으로 하는 소자.
제8항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 음극 전극, 양극 전극 및 그리드 전극이 다른 평면상에 놓인 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
상기 적어도 하나의 부가 전극에 인가되는 전압을 제어할 수 있게 변경함으로써 양극 전류에 영향을 미치고, 그로 인해 전기장이 제어할 수 있게 변하게 설정되고 작동가능한, 제8항의 전자 스위치 소자.
음극의 전자 방출량을 유지하고 음극 및 양극 전극들 사이에 특정 전위차를 유지하도록 설정되고 작동 가능한 제12항의 전자 스위치 소자.
상기 제어 유닛이 음극의 전자 방출량을 변경하여 그로 인해 양극 전류에 영향을 미치도록 설정되고 작동 가능한, 제12항의 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 전극이 날카로운 말단부를 가진 음극 전극의 일부와 함께 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
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제15항의 전자 스위치 소자에 있어서, 발광 어셈블리가 저압방전등, 고압방전등, 연속파 레이저 소자, 펄스 레이저 소자, 적어도 하나의 비선형 결정, 그리고 적어도 하나의 발광 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제17항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 발광 어셈블리가 수은(Hg)등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제17항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 발광 어셈블리가 크세논(Xe)등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 전극이 유기 또는 무기 재료를 이용하여 코팅되거나 도핑된 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 음극 전극 및 양극 전극이 금속 재료들로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 음극 전극 및 양극 전극이 반도체 재료들로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 상기 음극 및 양극 전극들 중의 하나가 금속으로부터 만들어지고, 나머지 하나는 반도체로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 및 양극 전극들 중의 하나가 금속으로부터 만들어지고, 나머지 하나는 금속과 반도체의 혼합물로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 및 양극 전극들이, 자기 모멘트 방향들이 반대 방향이라는 점에서 다른 강자성 재료들로부터 만들어지고, 상기 소자가 그로 인하여 음극 및 양극 전극들 중 하나를 그 스핀업(SPIN UP)과 스핀다운(SPIN DOWN) 상태 사이에서 시프트하여 비 작동 및 작동 위치들 사이를 시프트하는 결과를 가져오는 스핀 밸브(spin valve)로서 작동 가능한 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
음극 및 양극의 자화상태(magnetization)를 서로 상대적으로 시프트함으로써 다른 모드들 사이에서 시프트 가능하도록 설정된 제25항의 전자 스위치 소자.
상기 음극 전극 및 양극 전극에 외부 자기장을 인가하도록 작동 가능한 자기장 소스를 포함하고, 외부 자기장을 인가하는 것이 상기 음극 및 양극 전극들 중 하나의 자화상태를 변경하는 제25항의 전자 스위치 소자.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 전극이 비강자성 금속 또는 반도체로부터 만들어지고 양극 전극이 강자성 재료로부터 만들어지며, 상기 소자가 작동과 비 작동 위치들 사이를, 방출된 전자의 극성을 변경시킴으로써 시프트 가능한 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
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제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 전극이 비강자성 금속 또는 반도체로부터 만들어지고 양극 전극이 강자성 재료로부터 만들어지며, 상기 소자가 스핀업 및 스핀다운 고 전송 상태 사이에서 양극 전극의 자화상태를 시프트함으로써 그 다른 동작 모드들 사이에서 시프트가 가능한 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 스위치 소자에 있어서, 전극 배치 장치가, 각각 음극 및 양극 전극들을 지지하기 위한 제1기판 층들과 제2기판 층들; 그리고 제1기판 층들과 제2기판 층들 사이의 공간 층 구조체를 포함하는 통합된 구조체이고, 공간 층 구조체가 음극 및 양극 전극들 사이의 간극을 규정하도록 패턴화된 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제34항의 전자 스위치 소자에 있어서, 제1기판이 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 음극 전극들의 배열을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제34항의 전자 스위치 소자에 있어서, 제2기판이 공간적으로 분리된 관계에서 배열된 양극 전극들의 배열을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제34항의 전자 스위치 소자에 있어서, 공간 층 구조체가 적어도 하나의 유전체 재료 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제37항의 전자 스위치 소자에 있어서, 공간 층 구조체가 제1 및 제2유전체 층들 그리고 상기 제1 및 제2 유전체 층 사이에 전기적 도체 성 층을 포함하고, 패턴화된 전기적 도체성 층이 부가 전극을 규정하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제34항의 전자 스위치 소자에 있어서, 공간 층 구조가 각각 음극 및 양극 전극들 각각 사이에 공간적으로 분리된 간극들의 배열을 규정하도록 패턴화된 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제3항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 및 양극 전극들의 사이의 간극의 길이가 실질적으로 800nm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제3항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 및 양극 전극들의 사이의 간극의 길이가 수십 나노 미터인 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
제3항의 전자 스위치 소자에 있어서, 음극 및 양극 전극들의 사이의 간극의 길이가 수십 나노미터 내지 수백 나노미터인 것을 특징으로 하는 전자 스위치 소자.
전자 방출 소자 내에 광방출 음극 전극(12A)을 제공하는 단계, 음극 전극으로부터 양극 전극(12B)을 향하는 전자 방출을 제어하도록 특정 여기 복사에 의해 광방출 음극 전극(12A)의 조도를 제어하고 전자 방출 소자의 음극 및 양극 전극들 사이의 전기장을 제어하는 단계, 그리고 음극의 전자 방출량을 제어할 수 있게 변경하는 동작 및 전극 배열 장치 내의 전기장을 제어할 수 있게 변경하는 동작 중 적어도 하나의 동작에 의해 양극의 전류에 영향을 미치게 함으로써 소자의 광방출 스위치 기능을 초래하는 단계를 포함하고, 상기 음극 및 양극 전극들이 가스 매체 간극에 의해 분리되어 있는 것인, 전자 방출 소자(10, 100, 200, 300, 400, 50, 600, 700A, 700B, 700C)를 광 방출 스위치용 소자로서 동작시키는 방법.