ВАКУУМНЫЙ МИКРОТРИОД Российский патент 1997 года по МПК H01J21/10 H01J31/12 H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумной микроэлектронике, к устройствам отображения информации, может работать в режиме электронного ключа и усилителя по току в вакуумных интегральных схемах.

Известен автоэлектронный катод [1] содержащий подложку, выполняемую из проводящего или диэлектрического материала, на которой расположен стартовый проводящий электрод, вызывающий автоэлектронную эмиссию, представляющий собой тонкую пленку из любого проводящего материала, подсоединяемый к положительному полюсу источника напряжения. На нем выполнена изолирующая пленка из диэлектрика, обладающая высокой электрической прочностью. Слой держателя катода выполнен из проводящего и диэлектрического материала, на нем расположена катодная пленка, изготовленная из механически прочных проводящих материалов. Эмиттирующей поверхностью служит торец катодной пленки, кромка которой выполнена в виде лезвия.

Работа автоэлектронного катода основана на холодной эмиссии электронов под воздействием сильного электрического поля (более 10⁷ В/см), которые перехватываются коллектором электронов (анодом).

Наиболее близким техническим решением является прибор [2] содержащий подложку, на которой выполнена структура полосковых катодных и анодных электродов, в местах скрещивания которых и в слое диэлектрика выполнены ячейки, в которые выступают лезвийные катодные электроды, анод размещен на поверхности подложки и покрыт люминофорным покрытием, при этом между полосковыми катодными и анодными электродами через изоляционные слои размещены полосковые управляющие электроды.

Прибор работает следующим образом: на анодные полосковые электроды подается постоянное положительное напряжение относительно полосковых катодных электродов; на полосковый управляющий электрод подается положительное напряжение, создающее такую напряженность электрического поля на кромке лезвийного эмиттера, при которой с нее начинается полевая эмиссия электронов в глубь окна. Попадая в ускоряющее поле анодного полоскового электрода, электроны ускоряются, бомбардируя затем слой люминофора, покрывающий анод, вызывая его свечение.

Прикладывая поочередно напряжение между соответствующими полосковыми катодами и управляющими электродами, можно формировать светящееся изображение. Изменяя напряжение на полосковых управляющих электродах, можно варьировать яркость светящихся точек независимо от напряжения на анодных полосковых электродах. При создании цветного дисплея на анодные электроды можно подавать постоянные напряжения различной величины, соответствующие каждому цвету свечения фосфора. Зеленый фосфор, например, имеет цвет насыщения при малых напряжениях, красный при средних и голубой при высоких. Таким образом достигается однородность свечения цветного изображения при близких значениях управляющих напряжений на всех полосковых управляющих электродах.

Следует отметить, что, поскольку в известном техническом решении кромка каждого окна в полосковых управляющих электродах находится в непосредственной близости от кромки лезвийного эмиттера, электрические силовые линии концентрируют эмиттируемый электронный поток в основном по периметру окна в диэлектрических слоях и полосковых катодных и управляющих электродах. В результате фосфорные участки светятся неравномерно в центре менее ярко. Этот эффект особенно проявляется, если фосфорные участки имеют размер пикселя, например 100х50 мкм. При этом участки люминофора, на которые приходятся повышенные плотности тока, быстро стареют, в результате чего их яркость быстро уменьшается. Если же пиксели выполнять многоячеистыми, то есть с множеством окон, то уменьшается активная площадь свечения люминофора, а значит, и яркость свечения пикселей.

Помимо этого, известный прибор не обладает однородностью свечения по всей поверхности матрицы, что обусловлено геометрической неоднородностью ячеек. Также необходимо подчеркнуть, что между полосковыми катодными и управляющими электродами существует высокая вероятность пробоя, поскольку для снижения управляющих напряжений разделяющий электроды диэлектрический слой должен быть достаточно тонким: 0,4 0,5 мкм и менее. Кроме того, лезвийные эмиттеры известного прибора не защищены от критических значений плотностей тока, при которых они разрушаются ввиду перегрева.

Все это приводит к снижению однородности свечения пикселей в пределах ячейки и по поверхности матрицы, а также к снижению надежности прибора.

В основу изобретения положена задача создать микроэлектронный триод, в котором можно бы было повысить яркость и однородность свечения пикселей в пределах ячейки и по поверхности матрицы, снизить управляющие напряжения, а также электрическую емкость между управляющими электродами и лезвийными эмиттерами, что в конечном итоге позволило бы увеличить долговечность прибора и его надежность.

Поставленная задача достигается тем, что в вакуумном микротриоде, содержащем диэлектрическую подложку, на которой выполнена матричная структура полосковых анодных, управляющих и катодных электродов, разделенных между собой слоями диэлектрика, полосковые управляющие электроды направлены вдоль полосковых анодных электродов, а в местах перекрестий полосковых катодных, анодных и направленных вдоль них управляющих электродов, в полосковых катодных, управляющих электродах и диэлектрических слоях выполнены сквозные окна до поверхности полосковых анодных электродов, причем поверхность полосковых анодных электродов в окнах покрыта слоем люминофора, а кромка катодного электрода по периметру каждого окна выступает над слоем люминофора, образуя таким образом лезвийный эмиттер, согласно изобретению кромка каждого лезвийного эмиттера снабжена нагрузочным сопротивлением, соединяющим ее с каждым полосковым катодным электродом, а полосковые управляющие электроды расположены над полосковыми катодными электродами.

Снабжение лезвийных эмиттеров нагрузочным сопротивлением позволяет выровнять точки ячеек по поверхности матрицы, в результате чего достигается повышение однородности ее свечения, а также снизить вероятность разрушения лезвийных эмиттеров вследствие токовых всплесков.

В вакуумном микротриоде каждый зубец эмиттера может быть снабжен нагрузочным сопротивлением, соединяющим зубец эмиттера с катодным электродом.

Выполнение кромки лезвия эмиттера в виде зубцов позволяет снизить управляющее напряжение по сравнению с лезвийной кромкой, так как напряженность электрического поля на зубце выше, чем на лезвии.

Расположение полосковых управляющих электродов на диэлектрическом слое над полосковыми катодными электродами позволяет равномерно рассеять поток электронов по всей поверхности люминофора в ячейках матричной структуры, исключив перегрев и старение люминофора по периметру ячеек, а также в этой конструкции ячейки достигается более высокая однородность свечения поверхности люминофора в каждой ячейке.

Целесообразно также, чтобы в вакуумном микротриоде кромка лезвийного эмиттера была выполнена в виде зубцов, разделенных между собой зазором.

Целесообразно также, чтобы в вакуумном микротриоде эмиттер был бы выполнен трехслойным, причем крайние слои были бы выполнены из проводящего материала с равным коэффициентом термического расширения и равной толщины.

Целесообразно также, чтобы в вакуумном микротриоде средний слой эмиттера был бы выполнен выступающим относительно крайних слоев.

Такое выполнение эмиттера (трехслойное) позволяет выполнить его такой толщины, при которой он еще сохраняет сплошность и механическую связность своих частей. Крайние слои играют упрочняющую роль и позволяют сохранить геометрию катода при тепловых воздействиях. Кроме того, можно в широких пределах варьировать материалом среднего слоя эмиттера и его толщиной. Чем тоньше эмиттер, тем меньшие напряжения вызывают эмиссионный ток, есть возможность подбирать материалы с малой работой выхода электронов, это в свою очередь тоже вызывает снижение напряжения, вызывающее ток эмиссии.

Целесообразно также, чтобы в вакуумном микротриоде кромка управляющего электрода была бы загнута внутрь окна.

Такое выполнение управляющего электрода позволяет приблизить его к эмиттерам, в результате чего снижаются напряжения, вызывающие эмиссию, в то же время толщина диэлектрика может оставаться неизменной, что повышает надежность микротриода, т. е. вероятность пробоя между управляющим электродом и эмиттером в таком варианте не увеличивается.

На фиг. 1 показан вакуумный микротриод; на фиг. 2 вид ячейки вакуумного микротриода сверху, с зубчатой кромкой; на фиг. 3 вид трехслойного эмиттера.

Вакуумный микротриод содержит (фиг.1 2) подложку 1, на которой расположены анодные полосковые электроды 2, диэлектрический слой 3, на котором выполнены перпендикулярно анодным полосковым электродам 2 катодные полосковые электроды 4. В местах скрещивания в катодных полосковых электродах 4 и диэлектрическом слое 3 выполнены ячейки в виде окон. В области окон поверхность анодного полоскового электрода 2 снабжена люминофорным покрытием 5. Кроме того, в окнах ячеек на рабочей области анодных полосковых электродов может быть выполнена возвышенность из проводящего материала в виде усеченной сферы и снабжена люминофорным покрытием. Верхняя точка возвышенности может быть расположена ниже или на уровне плоскости катодных электродов. Такое выполнение возвышенности приближает кромку эмиттера к аноду и позволяет уменьшить анодное напряжение (не показано).

На поверхности полоскового катодного электрода 4 выполнен диэлектрический слой 6, на поверхности которого над анодным полосковым электродом 2 и перпендикулярно катодном полосковому электроду 4 расположен полосковый управляющий электрод 7. В диэлектрическом слое 6 и полосковом управляющем электроде 7 выполнены окна, совпадающие с окнами соответствующих ячеек. Кромка 8 управляющего электрода 7 загнута внутрь окна по тем сторонам, где выполнены зубцы эмиттера 9.

Кромка лезвия эмиттера 9 выполнена внутрь окон ячеек на противоположных сторонах и вдоль анодного полоскового электрода 2 и выступает над анодным полосковым электродом 2 и над плоскостью кромки 8 управляющего электрода 7 или выполнена с ним на одном уровне.

Кроме того, кромка лезвия эмиттера 9 в ячейке выполнена в виде зубцов, разделенных между собой зазором, а каждый зубец эмиттера 9 снабжен нагрузочным сопротивлением 10, которое соединяет зубцы эмиттера 9 с катодным электродом 4. Эмиттеры 9 могут быть выполнены трехслойными (фиг.3). Крайние слои 11, 12 выполнены из проводящего материала с равным коэффициентом термического расширения (например, из хрома) и равной толщины. Средний слой 13 выполнен выступающим относительно крайних слоев 11, 12.

Кроме того, кромка лезвия эмиттера 9 может быть выполнена лезвийной, в этом случае нагрузочное сопротивление 10 выполнено на всю длину эмиттера (не показано).

Вакуумный микротриод работает следующим образом.

На все структуры анодных полосковых электродов 2 подается постоянное положительное напряжение величиной 70-80 В относительно катодных полосковых электродов 4. На полосковые управляющие электроды 7 подают положительное напряжение, величина которого может меняться от 20-40 В относительно катодных полосковых электродов 4 и эмиттеров 9. Вследствие небольшого расстояния между вершинами зубцов эмиттеров 9 и кромкой 8 полоскового управляющего электрода 7 (0,3 0,5 мкм) на вершинах зубцов 9 создается большая напряженность электрического поля (более 10⁷ В/см), обеспечивающая холодную эмиссию электронов. Эмиттирующие электроны перехватывают электрическим полем анодных полосковых электродов 2 и бомбардируют низковольтный люминофор, обеспечивая его свечение.

Подавая соответствующие напряжения на катодные и управляющие полосковые электроды, можно управлять местом расположения светящейся точки на экране, а также вызывать свечение всего экрана или отдельных его участков, т.е. формировать изображение.

Работа вакуумного микротриода в виде электронного ключа заключается в следующем. На анод подается напряжение величиной 110-150 В, положительное относительно эмиттера, которое вызывает холодную эмиссию электронов. В случае необходимости прекращения автоэлектронного тока управляющий электрод замыкается с катодным электродом вследствие малого зазора (0,3 0,5 мкм). Кромка эмиттера и кромка управляющего электрода с загнутой плоскостью образует тупое острие и для обеспечения эмиссии необходимо прикладывать более высокое напряжение величиной (500 В) и более. Этот эффект достигается лучше, если кромка управляющего электрода не загнута и его толщина сравнима с толщиной второго диэлектрического слоя.

Пример. Подложка 1 вакуумного микротриода выполнена из оптически прозрачного материала, например из кварца. Полосковые анодные электроды 2 изготовлены из пленки алюминия. Диэлектрический слой 3 выполнен из моноокиси кремния. Катодные полосковые электроды 4 выполнены из проводящей пленки из углерода. В диэлектрическом слое 3 формировали окно таким образом, чтобы эмиттеры, выполненные в виде зубцов, выступали внутрь окна ячейки над анодными электродами 2 и над плоскостью кромки 8 управляющего электрода 7.

На поверхность анодного полоскового электрода в области окон ячеек высаживали методом катодофореза низковольтный люминофор.

Второй диэлектрический слой 6 выполнен из двуокиси кремния, а расположенный на нем полосковый управляющий электрод 7 из молибдена.

Эмиттеры 9 могут быть выполнены трехслойными, крайние слои 11, 12 выполнены из проводящего материала, например из хрома, а средний слой 13 может быть выполнен из углерода.

Данное изобретение может быть использовано в индикаторах изображения, в телевидении высокой четкости, в индикаторных панелях транспортных средств, в устройствах передачи закодированной информации с высокой плотностью и в качестве низковольтного автоэлектронного ключа вакуумных интегральных схем.

Использование: в электронной технике, а именно в вакуумной микроэлектронике и в устройствах отображения информации. Сущность изобретения: вакуумный микротриод содержит подложку, на которой выполнены полосковые анодные и катодные электроды, разделенные слоем диэлектрика, в местах скрещивания которых и в слое диэлектрика выполнены ячейки в виде окон, причем лезвийные эмиттеры катодных электродов выполнены внутри окон ячеек на противоположных сторонах окна вдоль анодного электрода и выступающими над анодными электродами. Анодные электроды выполнены на поверхности подложки в области окон в слое диэлектрика и снабжены люминофорным покрытием, кромка лезвия эмиттера полоскового катодного электрода снабжена нагрузочным сопротивлением, на поверхности полоскового катодного электрода расположен второй диэлектрический слой, на поверхности которого над анодным полосковым электродом и вдоль него выполнен слой полоскового управляющего электрода, во втором диэлектрическом слое и полосковом управляющем электроде выполнены окна, совпадающие с окнами соответствующих ячеек. Изобретение позволяет снизить потребляемую мощность в динамическом режиме работы вакуумного микротриода и обеспечить высокую яркость свечения при малых напряжениях. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вакуумный микротриод, содержащий диэлектрическую подложку, на которой выполнена матричная структура полосковых анодных, управляющих и катодных электродов, разделенных между собой слоями диэлектрика, причем полосковые управляющие электроды направлены вдоль полосковых анодных электродов, в местах перекрестий катодных, анодных и направленных вдоль них управляющих электродов в полосковых катодных, управляющих электродах и диэлектрических слоях выполнены сквозные окна до поверхности полосковых анодных электродов, причем поверхность полосковых анодных электродов в окнах покрыта слоем люминофора, а кромка катодного электрода по периметру каждого окна выступает над слоем люминофора, образуя таким образом лезвийный эмиттер, отличающийся тем, что кромка каждого лезвийного эмиттера снабжена нагрузочным сопротивлением, соединяющим ее с каждым полосковым катодным электродом, а полосковые управляющие электроды расположены над полосковыми катодными электродами. 2. Микротриод по п. 1, отличающийся тем, что кромка лезвия эмиттера в ячейке выполнена в виде зубцов, разделенных между собой зазором. 3. Микротриод по п.2, отличающийся тем, что каждый зубец эмиттера снабжен нагрузочным сопротивлением, соединяющим его с катодным электродом. 4. Микротриод по п.1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен трехслойным, причем крайние слои выполнены из проводящего материала с равным коэффициентом термического расширения и равной толщины. 5. Микротриод по п.4, отличающийся тем, что средний слой эмиттера выполнен выступающим относительно крайних слоев. 6. Микротриод по п.1, отличающийся тем, что кромка полоскового управляющего электрода загнута внутрь окна ячейки.