УСТРОЙСТВО С АВТОЭЛЕКТРОННЫМ ЭМИТТЕРОМ Российский патент 1997 года по МПК H01J1/02 H01J1/30 

Изобретение относится к основным элементам конструкций электровакуумных приборов и может быть использовано для создания плоских катодолюминесцентных экранов.

Известно устройство с автоэлектронным эмиттером по патенту США N 3921022, кл. Н 01 J 1/02, содержащее подложку с конусообразными проводящими выступами (эмиттером), модулятор (управляющий электрод), диэлектрическую прослойку и выводы для подключения эмиттера и модулятора к источникам электрического напряжения. Недостаток такого аналога низкая долговечность в техническом вакууме (10^-6-10^-7 мм рт.ст.), обусловленная прогрессирующим увеличением радиуса кривизны острий эмиттера вследствие их ионной бомбардировки.

Этот недостаток частично устранен в устройстве-аналоге по статье А. А. Васенкова и др. "Низковольтные кремниевые матричные автоэлектронные катоды" (см. журнал "Электронная промышленность", выпуск 8 (166), 1987 г. с. 48-49) за счет применения лезвийных эмиттеров с заостренной рабочей частью (кромкой), расположенной в прорези модулятора.

Однако имеется другой недостаток низкая экономичность, вызванная формированием субмикронной структуры по поверхности управляющего электрода (модулятора).

Недостаток устранен в устройстве-аналоге по патенту ЕР N 0354750, кл. Н 01 J 31/12, в котором лезвийные эмиттеры расположены параллельно подложке - это дает возможность формировать эффективные матричные автоэлектронные эмиттеры без использования планарной субмикронной литографии.

Однако имеется другой недостаток неоднородность эмиссии различных параллельно действующих эмиттеров, например, в составе матричной структуры.

В качестве прототипа, в котором отсутствует этот недостаток, взято устройство по патенту ЕР N 0316214 А1, кл. Н 01 J 1/30, содержащее диэлектрическую подложку, модулятор и анод, диэлектрические прослойки, нагрузочное сопротивление и выводы для подключения источников электрического напряжения. При этом подложка несет вывод эмиттера, сопротивление, эмиттер, прослойку и электрод, причем прослойка выполнена с отверстиями, модулятор выполнен с отверстиями по отверстиям в прослойке, анод отстоит от подложки дальше по сравнению с модулятором.

Недостаток прототипа тот же, что и у аналога по указанному выше патенту ЕР N 0354750.

Для повышения равномерности распределения эмиссии по матрице параллельно действующих эмиттеров при одновременно высокой экономичности в устройство с ограниченными признаками прототипа вводятся отличия: нагрузочное сопротивление выполнено столбчатым с нижним торцом, прилежащим к выводу эмиттера и с верхним торцом, выступающим из отверстия в прослойке, площади верхнего и нижнего торцов сопротивления по порядку величины одинаковы, эмиттер выполнен в виде пленки, нанесенной на верхний торец сопротивления, сопротивление изолировано от модулятора вакуумным зазором. Кроме того, эмиттер выполнен вогнутым в сторону подложки, например по вогнутому торцу сопротивления, эмиттер выполнен, кроме того, заостренным в своем сечении, ортогональном подложке, в частности за счет того, что выполнен многослойным при различных слоях, имеющих различную поверхность (площадь) при этом слой наибольшей поверхности образует собственно эмиттирующую (торцевую) часть эмиттера, обеспечивая таким образом наименьший радиус-кривизны эмиттера (не более полутолщины пленки с наибольшей площадью), и/или заострен в плане, в частности за счет того, что выполнен в виде треугольника или звезды), анод отделен от эмиттера вакуумным зазором либо в варианте эмиттер несет столбчатый диэлектрический спейсер, спейсер несет анод; анод выполнен с отверстиями по заострениям эмиттера, в частности, с общими отверстиями для заострений соседних эмиттеров; устройство выполнено в виде матрицы сопротивлений на общем выводе эмиттера с соответствующими матрицами эмиттеров, спейсеров и отверстий, матрица спейсеров разрежена относительно матрицы сопротивлений и/или выполнено матричным с элементами матрицы в виде мест пересечений пленочных ортогональных X-Y-шин, причем, Х-шины являются выводами эмиттера, а Y-шины выводами модулятора, указанные места пересечения (элементы матрицы) выполнены с матрицами эмиттеров, сопротивлений, отверстий и спейсеров.

Обоснование равномерности распределения эмиссии по поверхности матрицы эмиттеров в заявленном устройстве состоит в следующем.

Каждый эмиттер, как в случае прототипа, имеет нагрузочное сопротивление, так что повышение равномерности распределения эмиссии происходит по схеме прототипа: потенциал собственно эмиттера уменьшается на величину ΔU падения напряжения на нагрузочном сопротивлении, ΔU определяется протекающим по сопротивлению током; лезвия, отличающиеся большей (меньшей) эмиссионной активностью за счет меньшего (большего) радиуса кривизны и/или меньшей (большей) работы выхода имеют таким образом меньшее (большее), "индивидуально свое" внешнее электрическое поле возбуждения эмиссии.

Обоснование экономичности устройства состоит в следующем.

Устройство не содержит, как и аналог по указанному патенту EP N 0354750, субмикронных структур, формируемых по модулятору в плане. Собственно эмиттером в устройстве является торец пленки, опирающейся на верхний торец сопротивления. При этом в плоскости нормальной подложке, зазоры между эмиттером и модулятором могут быть, как и в случае прототипа, субмикронными.

На фиг. 1 изображено в плане заявленное устройство в матричном варианте, с элементами матрицы в виде мест пересечения пленочных ортогональных X-, Y-шин, причем X-шины являются выводами эмиттера, Y-шины выводами модулятора: 1 подложка; 2 вывод эмиттера (Х-шина); 3 диэлектрическая прослойка; 4 - модулятор; 5 сопротивление; 6 эмиттер; 7 анод; 8 вывод модулятора (Y-шина); 9 спейсер.

В правом верхнем углу (фиг. 1) элемент матрицы, образованный пересечением Х-шины 2 и Y-шины 8, изображен с анодом 7, а в левом нижнем углу аналогичный элемент матрицы изображен без анода 7, на фиг. 2 изображено сечение элемента матрицы по А-А (фиг. 1) плоскостью, ортогональной подложке.

Назначение и связь элементов конструкции в статике: подложке 1 несущее основание, вывод 2 эмиттера и вывод 8 модулятора сигнальные электроды, прослойка 3 изолирующий (разделяющий) слой, сопротивление 5 нагрузочное сопротивление, эмиттер 6 источник полевой (автоэлектронной) эмиссии, анод 7 вытягивающий (инициирующий эмиссию) электрод, спейсер 9 изолирующий (разделяющий опорный) элемент.

Подложка 1 может быть выполнена из стекла, выводы 2, 8 из алюминия, модулятор 4, эмиттер 6 и анод 7 из углерода, прослойка 3 и спейсер 9 из окиси алюминия, сопротивление 5 из кремния.

Конструкция по фиг. 1, 2 может быть выполнена методами современной микроэлектроники, в том числе прецизионным напылением и избирательным травлением по аналогии с прототипом.

В основном электрическом режиме на эмиттер 6 подается через вывод 2 и сопротивление 5 отрицательный, а на модулятор 4 через вывод 8 положительный импульсы напряжения, а на анод 7 постоянное положительное напряжение. При этом под действием электрического поля, концентрирующего на торце эмиттера 6, возникает автоэлектронная эмиссия, ток эмиттированных электронов может быть направлен на анод 7 или на другие электроды, удаленные от эмиттера более, чем анод (не показаны).

На фиг. 2 изображен заостренный в поперечном сечении эмиттер из трех слоев, два верхних слоя заглублены на различные расстояния относительно торца нижнего слоя. Заостренность эмиттера придает устройству свойство относительной низковольтности (при фиксированном уровне токоотбора с эмиттера 6). Вогнутость эмиттера 6 в сторону подложки 1 обеспечивает более высокие значения коэффициента токораспределения между модулятором и анодом.

Столбчатое сопротивление 5 выполнено с нижним торцом, прилежащим к выводу 2 эмиттера, и с верхним торцом, выступающим из отверстия в прослойке 3. При этом площади верхнего и нижнего торцов сопротивления по порядку величины одинаковы. Такая конструкция сопротивления имеет преимущества, а именно обеспечивает малые паразитные токи на модулятор 4, простоту выполнения и надежность крепления эмиттера 6, спейсера 9 и анода 7. Вакуумный зазор между сопротивлением 5 и модулятором 4 снижает возможные токовые утечки в цепи модулятор эмиттер и вероятность электрического пробоя между этими электродами.

Вариант устройства без спейсера 9 имеет преимущества, а именно, повышенную электропрочность и надежность по цепи анод-эмиттер. Однако при этом точность задания и выдержки (сохранения) зазора анод-эмиттер меньше.

При фиксированном электрическом режиме наибольшую эмиссию имеет эмиттер в варианте устройства со сплошным анодом 7. Однако при этом устройство не может быть использовано для создания приборов с протяженными электронными потоками, длина которых превышает расстояние эмиттер-анод (фиг. 2). Кроме того, выполнение устройства со сплошным анодом технологически сложнее по позициям вакуумирования и герметизации.

Сетчатый анод 7 в устройстве имеет отверстия по местам заострений эмиттера, т.е. по ходу электронных потоков. При этом отверстия в аноде могут быть общими для заострений соседних лезвий эмиттеров (фиг. 2).

При множественности сопротивлений каждое из них имеет соответствующие эмиттеры, модуляторы, спейсеры и аноды с отверстиями (или без них). Так, матрица сопротивлений отвечают соответствующие матрицы эмиттеров, модуляторов, спейсеров, анодов с отверстиями (или без них).

При достаточной плотности размещения сопротивлений (из расчета на единицу поверхности), матрица спейсеров может быть разрежена при этом электрическая прочность устройства по цепи анод-эмиттер выше.

Указанный выше и изображенный на фиг. 1, 2 вариант устройства с элементами матрицы в виде мест пересечения пленочных ортогональных Х-, Y-шин, имеет преимущества управления эмиссией по координатам Х, Y, позволяет использовать устройство в практике конструирования плоских катодолюминесцентных экранов.

Работоспособность заявленного устройства обоснована данными о работоспособности аналогов, результатами анализа закона Фаулера-Нордгейма, анализом электрических полей и электронных потоков в указанных конструктивных вариантах устройства.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, в частности, для создания плоских катодолюминесцентных экранов;
для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем положительного эффекта.

Изобретение относится к основным элементам конструкций электровакуумных приборов и может быть использовано для создания плоских катодолюминесцентных экранов. Сущность изобретения: в качестве собственно эмиттера используется торец проводящей планки (заостренной, вогнутой, субмикронной толщины), нанесенной на торец столбчатого высокоомного нагрузочного сопротивления, опирающегося на пленочную проводящую шину. Первый вытягивающий (иницирующий эмиссию) электрод выполнен в виде проводящей пленки, отделенной от шины эмиттера диэлектрической прослойкой с отверстием по столбцу сопротивления. Второй вытягивающий электрод выполнен столбчатым по столбцу сопротивления, торец эмиттера равноудален от вытягивающих электродов. Пленочный вывод второго электрода выполнен с отверстием по торцу эмиттера. Эмиттер, сопротивление и электроды выполнены матричными, высота второго электрода и расстояние между соседними столбцами сопротивлений одинаковы, первый электрод выполнен с проводящими выступами по торцам элементов матрицы эмиттеров, столбцы сопротивлений с эмиттерами несут спейсеры, матрица спейсеров разрежена относительно матрицы сопротивлений. 8 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство с автоэлектронным эмиттером, включающее диэлектрическую подложку, модулятор и анод, диэлектрические прослойки, нагрузочное сопротивление и выводы для подключения источников электрического напряжения, при этом прослойка выполнена с отверстиями, модулятор выполнен с отверстиями по отверстиям в прослойке, анод отстоит от подложки дальше, чем модулятор, а величина нагрузочного сопротивления превышает сопротивление электродов не менее чем на четыре порядка, отличающееся тем, что сопротивление выполнено столбчатым с нижним торцом, прилежащим к выводу эмиттера, и с верхним торцом, выступающим из отверстия в прослойке, площади верхнего и нижнего торцов сопротивления по порядку величины одинаковы, эмиттер выполнен в виде пленки, нанесенной на верхний торец сопротивления, сопротивление изолировано от модулятора вакуумным зазором. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттер выполнен вогнутым в сторону подложки, например по вогнутому верхнему торцу сопротивления. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что эмиттер выполнен заостренным в сечении, ортогональном подложке, например, за счет многослойности при различных заглублениях слоев относительно торца слоя наибольшей поверхности, или в плане, например в виде треугольника или звезды. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что анод отделен от эмиттера вакуумным зазором. 5. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что эмиттер несет столбчатый диэлектрический спейсер, спейсер несет анод. 6. Устройство по пп. 3 5, отличающееся тем, что анод выполнен с отверстиями по заострениям эмиттера, в частности с общими отверстиями для заострений соседних эмиттеров. 7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что оно выполнено в виде матрицы сопротивлений на общем выводе эмиттера с соответствующими матрицами эмиттеров, спейсеров и отверстий. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что матрица спейсеров разрежена относительно матрицы сопротивлений. 9. Устройство по пп.7 и 8, отличающееся тем, что оно выполнено матричным с элементами матрицы в виде мест пересечения пленочных ортогональных Х-, Y-шин, причем Х-шины являются выводами эмиттера, а Y-шины выводами модулятора.