Электронное устройство

 

Использование: в электронных устройствах, использующих ненакаливаемые источники электронов. Сущность изобретения: электронное устройство содержит источник электронов, включающий в себя материал, имеющий поверхность, проявляющую очень низкое отрицательное сродство к электрону, такой, как например, алмаз типа П-В с III кристаллографической плоскостью. Источники электронов с геометрическими неоднородностями, имеющими радиусы кривизны больше, чем приблизительно 1000 улучшают уровни электронной эмиссии и ослабляют требования к характеристикам вершин/краев. Электронные устройства, использующие такие источники электронов, включают в себя электронные устройства генерации образов, электронные устройства источников света и электронные устройства усиления информационных сигналов. 9 з.п.ф-лы, 17 ил.

Настоящее изобретение относится, в общем, к электронным устройствам и, в частности, к электронным устройствам, использующим перемещение электронов в свободном пространстве.

Электронные устройства, использующие перемещение электронов в свободном пространстве, в данной области техники известны и обычно используются в качестве устройств усиления информационных сигналов, видеоинформационных дисплеев, детекторов образов и датчиков. Обычным требованием к этому типу устройства является требование, чтобы оно было снабжено в качестве неотъемлемой части конструкции устройства соответствующим источником электронов и средством для экстракции этих электронов из поверхности источника.

Первый известный в данной области техники способ экстракции электронов из поверхности источника электронов заключается в придании достаточной энергии электронам, находящимся на/или вблизи поверхности источника электронов, так, чтобы электроны могли преодолеть потенциальный поверхностный барьер и выйти в окружающую область свободного пространства. Этот способ требует сопутствующего источника тепла, чтобы обеспечить энергию, необходимую, чтобы поднять электроны до энергетического состояния, которое преодолевает потенциальный барьер.

Второй известный в данной области техники способ экстракции электронов из поверхности источника электронов заключается в эффективной модификации протяженности потенциального барьера способом, который обеспечивает значительное квантово-механическое туннелирование через полученный в результате барьер ограниченной толщины. Этот способ требует, чтобы на поверхности источника электронов были наведены очень сильные электрические поля.

В первом способе необходимость сопутствующего источника энергии устраняет возможность эффективно интегрированных конструкций в смысле устройств малого размера. Кроме того, потребность в источнике энергии неизбежно уменьшает общую эффективность устройства, поскольку энергия, затраченная на выделение электронов из источника электронов, не дает полезной работы.

Во втором способе необходимость в создании очень больших электрических полей порядка 1·10⁷ В/см приводит к необходимости управлять устройствами посредством использования нежелательно высоких напряжений или создания сложных геометрических структур.

Известен патент США N 4908539, в котором раскрыто устройство отображения с катодолюминесцентным экраном, возбуждаемым приборами с автоэлектронной эмиссией. В патенте США N 4908539 речь идет о стандартных эмиттерах автоэлектронной эмиссии в виде микроконтактов конической формы.

Соответственно, существует потребность в электронных устройствах, использующих источник электронов, в котором устранены, по меньшей мере, некоторые из недостатков известных источников электронов.

Эта и другие потребности, по существу, удовлетворяются через создание электронного устройства с источником электронов, содержащим материал, которому присуще сродство к электрону, чтобы удержать электроны, расположенные в/около поверхности материала, которое меньше приблизительно 1,0 электровольт. Альтернативно, может быть предложен источник электронов электронного устройства, содержащий материал, которому присуще отрицательное сродство к электрону, чтобы удержать электроны, расположенные в/около поверхности.

Ожидается, что источники электронов с геометрическими неоднородностями, имеющими радиусы кривизны более чем приблизительно 1000 , будут обеспечивать существенно улучшенные уровни электронной эмиссии и, следовательно, ослабление требований к характеристикам вершин/краев. Это ослабление требования к характеристикам вершин/краев является значительным улучшением, поскольку оно обеспечивает сильное упрощение способов, используемых для реализации устройств источников электронов.

При реализации источников электронов в настоящем изобретении материалом является алмаз.

В варианте осуществления электронного устройства, использующего источник электронов, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрен источник, по существу, однородного света.

В другом варианте осуществления электронного устройства, использующего источник электронов, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено устройство визуального отображения информации.

В других вариантах осуществления электронных устройств, использующих источники электронов, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено три терминальных устройства усиления сигналов.

На фиг.1 и 2 показаны схематические изображения, предоставляющие поверхностный энергетический барьер в вакууме типового полупроводника; на фиг. 3 и 4 поверхностный энергетический барьер в вакууме полупроводника с уменьшенным сродством к электрону; на фиг.5 и 6 поверхностный энергетический барьер в вакууме полупроводника с отрицательным сродством к электрону; на фиг.7 и 8 структуры, используемые в варианте осуществления электронного устройства, в котором используются источники электронов с уменьшенным/отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.9 другой вариант осуществления электронного устройства, реализованного посредством использования электронного источника с уменьшенным/отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.10 вид в перспективе структуры, использующей множество источников электронов с уменьшенным/отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.11 вид в сечении (схематическое представление другого варианта осуществления электронного устройства, реализованного посредством использования источника электронов с уменьшенным)отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.12- увеличенный вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления электронного устройства, выполненного посредством использования источника электронов с уменьшенным/отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 13 увеличенный вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления электронного устройства, выполненного посредством использования источника электронов с уменьшенным/отрицательным сродством к электрону, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.14 - графическое представление электрического поля, наводящего ток электронной эмиссии, относительно радиуса кривизны эмиттера; на фиг.15 графическое представление электрического поля, наводящего ток электронной эмиссии, относительно поверхностной работы выхода; на фиг. 16 17 графические представления (графики) электрического поля, наводящего (индуцирующего) ток электронной эмиссии, относительно приложенного напряжения, с поверхностной работой выхода в качестве перемещенного параметра.

На фиг. 1 показано схематическое представление энергетического барьера для поверхности раздела полупроводника с вакуумом. Параметры поверхности полупроводникового материала детализированы в виде верхнего энергетического уровня зоны валентности 101, нижнего энергетического уровня зоны проводимости 102 и собственного энергетического уровня Ферми 103, который в типичном случае находится на полпути между верхним уровнем зоны валентности 101 и нижним уровнем зоны проводимости 102. Энергетический уровень 104 вакуума показан в связи с энергетическими уровнями полупроводникового материала, в котором расположение энергетического уровня 104 вакуума на уровне выше, чем энергетические уровни полупроводника, указывает, что к электронам, расположенным в полупроводниковом материале, должна быть приложена энергия с той целью, чтобы электроны могли захватить достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер, который запрещает спонтанную эмиссию из поверхности полупроводникового материала в вакуумное пространство.

Для полупроводниковой системы рассматриваемая разность энергий между энергетическим уровнем 104 вакуума и нижним уровнем 102 зоны проводимости берется в качестве сродства к электрону qx. Разность в энергетических уровнях между нижним уровнем 102 зоны проводимости и верхним энергетическим уровнем 101 зоны валентности, в общем, берется как запрещенная энергетическая зона, Eq. В случае беспримесного (собственного) материала полупроводника, разность между собственным энергетическим уровнем 103 Ферми и нижним энергетическим уровнем 102 зоны проводимости составляет половину запрещенной энергетической зоны, Eq/2. Как показано на фиг.1, необходимо увеличивать энергетическое содержание электрона, расположенного на нижнем энергетическом уровне 102 зоны проводимости, чтобы увеличить его до уровня энергии, соответствующего энергетическому уровню 104 свободного пространства.

Работа выхода, qφ определяется как энергия, которая должна быть добавлена к электрону, который расположен на собственном энергетическом уровне 103 Ферми, так, чтобы электрон мог преодолеть потенциальный барьер и покинуть поверхность материала, в которой он находился. Для системы фиг. 1: qφ = qχ+Eq/2. Фиг.2 схематическое представление энергетического барьера, как ранее описано со ссылкой на фиг.1, в которой изображенный полупроводниковый материал легирован примесью таким способом, который эффективно сдвигает энергетические уровни, так, что энергетический уровень 105 Ферми реализуется на энергетическом уровне более высоком, чем собственный энергетический уровень 103 Ферми. Этот сдвиг в энергетических уровнях изображен разностью энергетических уровней qW, которая дает соответствующее уменьшение в работе выхода системы. Для системы фиг.2: qφ = qχ+Eq/2-qW. Очевидно, что, хотя работа выхода уменьшается, сродство к электрону, qχ, остается неизменным посредством модификаций полупроводникового материала.

Фиг. 3 схематическое представление энергетического барьера, как ранее описано со ссылкой на фиг. 1, где подобные элементы обозначены подобными номерами и все номера начинаются с цифры "2", чтобы указать на второй вариант осуществления. Фиг.3, кроме того, изображает полупроводниковый материал, в котором энергетические уровни поверхности полупроводника находятся в намного большей близости к энергетическому уровню 204 вакуума, чем это имеет место в вышеописанной системе. В случае полупроводникового материала алмаза наблюдается, что сродство к электрону, qχ меньше 1,0 эВ (электрон-вольт). Для системы фиг.3: qφ = Eq/2+qχ. На фиг.4 изображено представление энергетического барьера, как ранее описано со ссылкой на фиг.3, в которой система полупроводника легирована примесью так, что эффективный энергетический уровень 205 Ферми располагается на энергетическом уровне выше, чем собственный энергетический уровень 203 Ферми. Для системы фиг.4: qφ = Eq/2-qW+qχ. Фиг. 5 схематическое представление энергетического барьера, как описано выше со ссылкой на фиг.1, в которой ссылочные позиции, соответствующие подобным элементам, изображенным на фиг. 1, обозначаются, начиная с цифры "3". Фиг. 5 изображает систему полупроводникового материала, имеющую энергетический уровень, соотносящийся с энергетическим уровнем 304 вакуума так, что уровень нижнего энергетического уровня 302 зоны проводимости выше, чем уровень энергетического уровня 304 вакуума. В такой системе электроны, расположенные в/или около поверхности полупроводникового материала и имеющие энергию, соответствующую любому энергетическому состоянию в зоне проводимости, будут спонтанно эмитироваться из поверхности полупроводникового материала. Это в обычном случае является энергетической характеристикой 111 кристаллографической плотности алмаза. Для системы фиг.5: qφ = Eq/2-qW,
поскольку электрон должен быть еще поднят до зоны проводимости, прежде чем он подвергнется эмиссии из поверхности полупроводника.

Фиг. 6 схематическое представление энергетического барьера, как ранее описано со ссылкой на фиг.5, где полупроводниковый материал легирован примесью, как выше описано со ссылкой на фиг.4. Для системы фиг.6:
qφ = Eq/2-qW.
Для источника электронов электронного устройства, рассматриваемого в настоящем описании, электроны, расположенные в/или около поверхности полупроводникового материала алмаза, будут использоваться в качестве источника электронов для работы электронного устройства. По существу, необходимо обеспечить средство, с помощью которого эмитируемые электроны в поверхности заменяются электронами из толщи полупроводника. Как было обнаружено, это легко выполняется в случае алмаза типа 11-В, поскольку электрическая проводимость собственно алмаза типа 11-В, порядка 50 Ом·см, пригодна для многих приложений. Для таких приложений, в которых электрическая проводимость должна увеличиваться выше, чем у собственно алмаза типа 11-В, может быть предложено соответствующее легирование примесями. Собственно алмаз типа 11-В, использующий 111 кристаллографическую плоскость, является уникальным среди материалов в том, что обладает как отрицательным сродством к электрону, так и высокой собственной электропроводностью.

Фиг. 7 увеличенный вид сбоку в разрезе, изображающий источник 410 электронов в соответствии с настоящим изобретением. Источник 410 электронов включает в себя алмазный полупроводниковый материал, имеющий поверхность, соответствующую III кристаллографической плоскости, и в котором любые электроны 412, спонтанно эмитируемые из поверхности алмазного материала, попадают в облако зарядов, непосредственно примыкающее к поверхности полупроводника. При равновесии электроны будут выходить с поверхности полупроводникового материала со скоростью, равной скорости, с которой электроны снова захватываются поверхностью полупроводника. По существу, в толще полупроводникового материала отсутствует сетевой поток носителей зарядов.

Фиг. 8 увеличенный вид сбоку в разрезе, представляющий первый вариант осуществления электронного устройства 400, использующего источник 410 электронов в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше со ссылкой на фиг. 7. Устройство 400, кроме того, включает в себя анод 414, расположенный на удалении по отношению к источнику 410 электронов, а также описывает внешне придаваемый источник 416 напряжения, в действии подключенный между анодом 414 и источником 410 электронов. Посредством использования внешне придаваемого источника 416 напряжения для индуцирования электрического поля в промежуточной области между анодом 414 и источником 410 электронов, электроны 412, находящиеся выше поверхности источника 410 электронов, перемещаются вперед и собираются анодом 414. Когда плотность электронов 412, расположенных выше источника 410 электронов, уменьшается из-за перемещения по направлению к аноду 414, условие равновесия, описанное ранее, нарушается.

Для восстановления равновесия из поверхности источника 410 электронов эмитируются дополнительные электроны, каковые электроны должны быть в поверхности заменены соответствующими электронами внутри толщи материала. Это дает возрастание потока сетевого тока внутри полупроводникового материала источника 410 электронов, который облегчается высокой электрической проводимостью алмаза типа П-В.

В случае алмазного полупроводникового материала типа П-В, использующего поверхность, соответствующую III кристаллографической плоскости, требуется подавать лишь небольшое электрическое поле для индуцирования электронов 412, которые должны собираться анодом 414. Сила этого электрического поля может быть порядка 1,0 МВ/см, что соответствует 1 В, когда анод 414 расположен на расстоянии в 1 микрон по отношению к источнику 410 электронов. Известные технологии, используемые для создания электрического поля, вызывающего электронную эмиссию из материалов, обычно требует электрических полей больше, чем 10 МВ/см.

Фиг. 9 увеличенный вид сбоку в разрезе второго варианта осуществления электронного устройства 500, использующего источник 510 электронов, в соответствии с настоящим изобретением. Показана опорная подложка 556, имеющая первую главную поверхность, на которой расположен источник 510 электронов, имеющий экспонируемую поверхность, проявляющую сродство к электрону от низкого до отрицательного (от менее чем приблизительно 1,0 эВ, до менее чем приблизительно 0,0 эВ). Анод 550 расположен на удалении по отношению к источнику 510 электронов.

Анод 550 включает в себя слой, по существу, оптически прозрачного материала защитной пластины 551, имеющего поверхность, обращенную к источнику 510 электронов, которая, по существу, параллельна и находится на расстоянии от поверхности источника 510 электронов. По существу, оптически прозрачный проводящий слой 552 расположен на поверхности материала 551 защитной пластины с поверхностью, обращенной к источнику 510 электронов. Проводящий слой 552 имеет расположенный на поверхности, обращенной к источнику 510 электронов, слой 554 катодолюминесцентного материала для эмитирования фотонов.

Внешне приданный источник 516 напряжения в действии подключен к проводящему слою 552 и к источнику 510 электронов таким способом, что электрическое поле, наведенное в промежуточной области между анодом 550 и источником 510 электронов, дает возрастание движения электронов по направлению к аноду 550, как описано выше. Электроны, движущиеся через наведенное электрическое поле, приобретают дополнительную энергию и ударяются о слой 554 катодолюминесцентного материала. Электроны, ударяющиеся о слой 554 катодолюминесцентного материала, оставляют эту избыточную энергию, по меньшей мере, частично посредством процессов излучения, которые происходят в катодолюминесцентном материале для создания фотонной эмиссии через, по существу, оптически прозрачный проводящий слой 552 и, по существу, оптически прозрачный материал 551 защитной пластины.

Электронное устройство 550, использующее источник электронов, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает источник, по существу, однородного света как результат, по существу, однородной электронной эмиссии от источника 510 электронов.

Фиг. 10 вид в перспективе электронного устройства 600 в соответствии с настоящим изобретением, как описано ранее со ссылкой на фиг.9, где ссылочные позиции, соответствующие подобным элементам, изображенным на фиг. 9, обозначены, начиная с цифры "6". Устройство 600 включает в себя множество источников 610 электронов и множество проводящих путей 603, которые сформированы, например, из слоя металла, соединенных со множеством источников 610 электронов. Посредством формирования источников 610 электронов из алмаза типа П-В с экспонируемой поверхностью, соответствующей III кристаллографической плоскости, электронные источники 610 функционируют в качестве источников электронов с отрицательным сродством к электрону, как описано выше со ссылкой на фиг.5, 6, 8 и 9.

Посредством использования внешне приданного источника напряжения (не показан), как описано ранее со ссылкой на фиг.9, и посредством соединения внешне приданных источников сигналов (не показаны) с, по меньшей мере, некоторыми из множества проводящих путей 603, каждый из множества источников 610 электронов может быть независимо выбран для эмитирования электронов. Например, при подаче положительного напряжения по отношению к опорному потенциалу на проводящий слой 652 и обеспечения того, чтобы потенциал множества источников 610 электронов был менее положительным, чем потенциал проводящего слоя 652, электроны будут течь к аноду 650. Однако, если извне поступающие сигналы, в действии подаваемые на любой из множества проводящих путей 603, имеют величину и полярность такую, чтобы соединенный источник 610 электронов был более положительным, чем напряжение на проводящем слое 652, тогда этот конкретный источник электронов не будет эмитировать электроны к аноду 650. При этом способе индивидуальные источники 610 электронов избирательно адресуются для эмитирования электронов.

Поскольку электрическое поле, наведенное в промежуточной области между анодом 650 и источниками 602 электронов, является, по существу, однородным и параллельным транзитному пути эмитируемых электронов, эмитируемые электроны собираются на аноде 650 над областью слоя 654 катодолюминисцентного материала, соответствующей области источника электронов, из которой они эмитируются. При этом способе выборочная электронная эмиссия приводит к тому, что выборочно части слоя 654 катодолюминесцентного материала возбуждаются для эмитирования фотонов, которые, в свою очередь, создают образ, который можно наблюдать через материал 651 защитной пластины, как описано выше со ссылкой на фиг.9.

Фиг. 11 увеличенный вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления электронного устройства 700, использующего источник электронов, в соответствии с настоящим изобретением. Опорная подложка 701, имеющая, по меньшей мере, первую главную поверхность, на которой расположен источник 702 электронов, в действии соединенный с первым внешне придаваемым источником 704 напряжения, также показана. Анод 703, расположенный удаленно от источника 702 электронов, в действии соединен с первым выводом внешне расположенного элемента 706 полного сопротивления. Второй внешне расположенный источник 705 напряжения в действии подключен к второму выводу элемента 706 полного сопротивления.

Электронное устройство 700, включающее в себя источник 702 электронов, сформированный из алмаза типа П-B, как описано ранее со ссылкой на фиг.5 и 8, в рабочем положении подключено к внешне расположенным источникам и элементам полного сопротивления, как описано выше, и предусмотрено для усиления информационных сигналов посредством изменения уровня электронной эмиссии из поверхности источника 702 электронов через модуляцию источника 704 напряжения и детектирования последующего изменения тока собранных электронов посредством контроля соответствующего измерения в падении напряжения на элементе 706 полного сопротивления.

Обратимся теперь к фиг.12, здесь показан увеличенный вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления электронного устройства 800, использующего источник 802 электронов, в соответствии с настоящим изобретением. Источник 802 электронов избирательно формируется так, что, по меньшей мере, часть источника 802 электронов образует столбик, который, по существу, перпендикулярен по отношению к опорной подложке 801. Источник 802 электронов расположен на/и в рабочем положении соединен с главной поверхностью опорной подложки 801. Управляющий электрод 804 расположен вблизи по существу, симметрично по периферии, по меньшей мере, частично над столбиковой частью источника 802 электронов. Размещение и поддержка структуры управляющего электрода выполняется посредством использования любого из многих способов, широко известных в данной области техники, например, посредством введения изолирующих диэлектрических материалов для поддержки структуры управляющего электрода 804. Анод 803 расположен на удалении от столбиковой части источника 802 электронов, так, что, по меньшей мере, некоторые из эмитированных электронов будут собраны на аноде 803.

Первый внешне расположенный источник 807 напряжения или сигнала в рабочем положении соединен с управляющим электродом 804. Второй внешне расположенный источник 805 напряжения и внешне расположенный элемент 806 полного сопротивления в рабочем положении соединены с анодом 803, как ранее описано со ссылкой на фиг.11. Третий расположенный снаружи источник 808 напряжения или сигнала в рабочем положении соединен с опорной подпояской 801. Электронное устройство 800, использующее источник 802 электронов с характеристиками эмитирующей поверхности, описанными ранее со ссылкой на фиг.5 и 8, функционирует как устройство усиления сигналов с тремя выводами, в котором сигналы информации/переключения подаются или одним, или общими из первого и третьего источников 807 и 808 напряжения.

В случае подачи сигнала/напряжения на управляющий электрод 804 электронного устройства 800, которое снижает потенциал в промежуточной области около поверхности источника 802 до такого уровня, что электроны не проходят промежуточное расстояние между анодом 803 и источником 802 электронов, электронное устройство эффективно переходит в выключенное состояние. Соответственно, подача сигнала/напряжения на источник 802 электронов, которая понижает потенциал в промежуточной области около поверхности источника 802 электронов до такого уровня, что электроны не могут пройти промежуточное расстояние между анодом 803 и источником 802 электронов, эффективно переводит устройство 800 в выключенное состояние. Избирательная подача необходимых напряжений/сигналов от каждого из первого и второго расположенных снаружи источников 807 и 808 напряжения на электронное устройство 800 избирательно переводит устройство 800 во включенное или выключенное состояние. Посредством избирательного модулирования напряжений, поданных как один/оба из первого и второго источников 807 и 808 напряжения, электронное устройство 800 функционирует как устройство усиления информационных сигналов. Альтернативно, анод 803 электронного устройства 800 может быть выполнен как анод, описанный выше со ссылкой на фиг. 9 и 10. Такая структура анода, используемая во взаимодействии со способностью внешне приданного источника напряжения переключать электронное устройство 800, обеспечивает полностью адресуемое устройство генерирования образов.

На фиг.14 приведено графическое изображение 1000, которое отображает отношение между электрическим полем, индуцирующим электронную эмиссию, и радиусом кривизны источника электронов. В данной области техники известно, что для источников электронов, в общем, таких, как, например, проводящие вершины/края, внешне приданное электрическое поле будет усиливаться (увеличиваться) в области геометрической неоднородности малого радиуса кривизны. Кроме того, функциональное соотношение для тока эмитируемых электронов,

где и r дано в сантиметрах,
включает в себя пример, qφ, описанный выше со ссылкой на фиг.1 как поверхностная работа выхода. Фиг. 14 показывает два графика тока эмиссии электронов по отношению к радиусу кривизны. Первый график 1001 определен путем установки работы выхода qφ в значение 5 эВ. Второй график 1002 определен заданием значения работы выхода qφ, равного 1 эВ. На обоих графиках 1001 и 1002 напряжение для удобства установлено на уровне 100 В. Целью графика фиг. 14 является иллюстрация отношения тока эмитируемых электронов не только к радиусу кривизны источника электронов, но также и к поверхностной работе выхода. Легко можно наблюдать, что при радиусе кривизны в 1000 и (1000·10^-10 м) значение электронного тока на втором графике 1002 приблизительно на тридцать порядков больше, чем на первом графике 1001. Это соотношение, будучи приложено к реализации структур электронных источников, транслируется непосредственно в значительное ослабление требования, чтобы источники, по меньшей мере, одной из характеристик имели очень малый радиус кривизны. На фиг.10 показано, что электронный ток первого графика 1001 (очевидно, что надо поменять местами "первого" и "второго", а также "1001" и "1002") при использовании источника электронов с радиусом кривизны в 1000 остается все еще больше, чем электронный ток второго графика 1002 при использовании источника электронов с радиусом кривизны лишь 10
Фиг. 15 дает графическое представление 1100 альтернативного способа взглянуть на электронный ток. На фиг.15 приведен график электронного тока относительно работы выхода qφ при радиусе кривизны r, взятого в качестве переменного параметра. Первый график 1110 изображает электронный ток относительно работы выхода для структуры эмиттерам использующего элемент с кривизной радиуса 100 . Второй и третий графики 1112 и 1114 изображают электронный ток относительно работы выхода для источников электронов, использующих элементы с радиусами кривизны в 1000 и 5000 , соответственно. Очевидно, что для каждого из графиков 1110, 1112, 1114 электронная эмиссия значительно возрастает, когда работа выхода и радиус кривизны уменьшаются. Заметим также, что как и на графиках фиг.14, ясно изображено, что на отношение тока сильно влияет работа выхода таким образом, что допускается значительное ослабление требования, что источники электронов, возбуждаемые электрическим полем, должны иметь элементы с геометрическими неоднородностями малого радиуса кривизны.

На фиг. 16 дано графическое представление 1200 тока электронов относительно приложенного напряжения V при поверхностной работе выхода qφ в качестве переменного параметра. Первый, второй и третий графики 1220, 1222 и 1224, соответствующие работам выхода в 1 эВ, 2,5 эВ и 5 эВ, соответственно, показывают, что у когда работа выхода уменьшается, электронный ток возрастает на много порядков величины для данного направления. Это изображение согласуется с изображениями, описанными ранее со ссылкой на фиг.14 и 15.

Фиг. 17 является графическим представлением 1230, которое соответствует самой левой части графического представления фиг. 16, покрывающего диапазон приложенных напряжений от 0 до 100 В. На фиг.17 первый график является расчетом для источника электронов, который использует материал, имеющий работу выхода в 1 эВ и кривизну элемента с радиусом в 50 Из фиг.17 ясно, что эмиттер электронов, сформированный в соответствии с параметрами первого графика 1240, обеспечивает значительно больший электронный ток, чем источник электронов, сформированный в соответствии с параметрами, связанными с расчетом второго графика 1242. Из вычислений и иллюстраций фиг. 14 17 очевидно, что посредством использования источника электронов, который сформирован из материала, имеющего низкую поверхностную работу выхода, получено значительное улучшение эмитируемого электронного тока. Кроме того, иллюстрируется, что посредством использования источника электронов с низкой поверхностной работой выхода ослабляются требования элементов очень малого радиуса кривизны.

Фиг. 13 увеличенный вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления электронного устройства 900, подобного описанному ранее со ссылкой на фиг. 12, в котором ссылочные позиции, соответствующие подобным элементам, изображенным на фиг.12, обозначены, начиная с цифры "9". Источник электронов 902 избирательно сформирован так, чтобы создать, по существу, коническую или клинообразной формы, область с вершиной 909, имеющей малый радиус кривизны. Выполнение источника электронов в соответствии с настоящим изобретением и использование геометрии источника 902 электронов фиг.13 обеспечивает уменьшение рабочих напряжений устройства благодаря известным эффектам усиления электрического поля на острых краях и заостренных структурах. Благодаря эффектам усиления электрического поля на геометрических неоднородностях малого радиуса кривизны, таких, как острые вершины/края, электроны предпочтительно эмитируются из области в/около местоположения наибольшего электрического поля, которое в случае устройства фиг.9 соответствует вершине 909 источника электронов.

Устройство электронное фиг. 13, кроме того, использует анод 903, как описано ранее со ссылкой на фиг.9 и 10, чтобы обеспечить полностью адресуемое устройство генерирования изображения, как описано ранее со ссылкой на фиг.12.

Посредством использования материала с низкой работой выхода для источника 902 электронов, такого, например, как алмаз типа П-В, и посредством избирательного ориентирования материалов с низкой работой выхода, например, так, что экспонируется предпочтительная кристаллографическая поверхность, требование, чтобы вершина 909 имела очень малый радиус кривизны, ослабляется. В известных вариантах осуществления электронных эмиттерных устройств с индуцируемым электрическим полем обычно обнаруживают, при обсуждении микроэлектронных эмиттеров, что радиус кривизны эмитирующих вершин/краев должен быть обязательно менее 500 и предпочтительно менее 300 Для устройств, сформированных в соответствии с настоящим изобретением, ожидается, что источники электронов с геометрическими неоднородностями, имеющими радиусы кривизны приблизительно 5000 , будут обеспечивать, по существу, аналогичные уровни эмиссии электронов, как и структуры известных технических решений. Это ослабление требования к элементам вершина/край является значительным улучшением, поскольку обеспечивает сильное упрощение технологических способов, используемых для создания устройств источников электронов.

Формула изобретения

1. Электронное устройство, содержащее источник электронов, имеющий поверхность, анод и источник напряжения, подсоединенный к аноду и источнику электронов, отличающееся тем, что источник электронов выполнен из слоя материала монокристаллического алмаза, имеющего поверхность, проявляющую сродство к электрону менее приблизительно 1,0 эВ, соответствующую, по существу, предпочтительной кристаллографической ориентации плоскости материала монокристаллического алмаза, а источник напряжения соединен с анодом и слоем материала монокристаллического алмаза.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод включает материал, по существу, оптически прозрачной защитной пластины, имеющий главную поверхность, при этом, по существу, оптически прозрачный слой проводящего материала расположен на главной поверхности материала защитной пластины, и слой катодолюминесцентного материала расположен на, по существу, оптически прозрачном слое проводящего материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит опорную подложку, имеющую главную поверхность, на которой расположен слой материала монокристаллического алмаза.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что опорная подложка включает в себя металлический проводник.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что опорная подложка включает в себя полупроводниковый материал.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что слой материала монокристаллического алмаза определяет множество источников электронов.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что слой материала монокристаллического алмаза избирательно сформирован для создания столбика, выполненного по существу перпендикулярно опорной подложке.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что слой материала монокристаллического алмаза избирательно сформирован для создания конуса, имеющего вершину.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что слой материала монокристаллического алмаза избирательно сформирован для создания кромки.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно содержит сигнальное средство, соединенное со слоем материала монокристаллического алмаза так, что электронной эмиссией из слоя материала управляют предпочтительно путем выбора уровня напряжения сигнального средства, прикладываемого к нему, при этом часть всех испускаемых электронов собирается на аноде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17