Устройство для получения электронной эмиссии

Изобретение относится к области электроники, в частности к устройствам для получения электронной эмиссии. Техническим результатом является увеличение срока службы и повышение стабильности устройства, а также расширение области применения путем использования в качестве устройства переключения фотоэмиссии. Устройство содержит электродный блок, в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод, способный к фотоэмиссии, и, по меньшей мере, один анодный электрод. Устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения от осветителя с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода. 2 н. и 41 з.п. ф-лы, 19 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для получения электронной эмиссии, в частности к устройству данного типа со структурой диода или триода.

Уровень техники

Диодные и триодные устройства получили широкое распространение в электронике. Один класс подобных устройств реализует принципы вакуумной микроэлектроники, другими словами, устройства этого класса основаны на баллистическом движении электронов в вакууме (Brodie, Keynote address to the first international vacuum microelectronics conference, June 1988, IEEE Trans. Electron Devices, 36, 11, pt. 2, pp.2637, 2641 (1989); I.Brodie, C.A.Spindt, in "Advances in Electronics and Electron Physics", vol. 83 (1992), pp.1-106).

В соответствии с принципами вакуумной микроэлектроники при локальном воздействии электрического поля очень высокой интенсивности (более 1 В/нм) происходит выбивание электронов из катодного электрода, при этом электроны преодолевают потенциал барьера за счет туннельного эффекта (Н.Fowler, L.W.Nordheim, Proc. Royal Soc. London, A119 (1928), p.173).

В патенте США №5834790 описано вакуумное микроустройство с холодным автоэлектронным катодом. В состав этого устройства входят первый электрод и вторые электроды. Первый электрод имеет выступающую часть с заостренным концом. В зоне первого электрода (за исключением острого конца его выступающей части) сформирована изолирующая пленка. Второй электрод образован в зоне поглощающей пленки (за исключением острого конца выступающей части первого электрода). К нижней поверхности первого электрода приклеена структурирующая подложка, причем в поверхности, по которой происходит приклеивание к нижней поверхности первого электрода, выполнена полость. Размер этой полости выбран достаточно большим для того, чтобы перекрыть углубление, соответствующее отражению острого конца выступающей части, сформированной на нижней поверхности первого электрода. Внутреннее пространство полости, образованной в структурирующей подложке, сообщается с атмосферой. На поверхности второго электрода сформирована опорная структура, окружающая каждую выступающую часть, сформированную на первом электроде. С помощью такой структуры можно создать вакуумное микроустройство, способное устранять вариации в характеристиках, обусловленные наличием пустот, и обеспечивающее отличную долговременную надежность.

Полупроводниковые устройства, основанные на принципах "твердотельной микроэлектроники" (транзисторы), представляют другой класс триодов. В этих устройствах носители зарядов заключены внутри твердых тел, причем они могут испытывать неблагоприятное воздействие со стороны кристаллической решетки (S.М.Sze, Physics of semiconductor devices, Intel-science, 2nd edition, New York). В устройствах данного класса ток протекает внутри полупроводников, так что на скорость движения электронов оказывают влияние кристаллические решетки и имеющиеся в них примеси. Фундаментальный недостаток активных электронных устройств, основанных на использовании полупроводников, заключается в том, что кристаллическая решетка полупроводника создает препятствия для перемещения электронов. Это ограничивает как возможности миниатюризации, так и скорость переключения в устройствах данного типа.

Вакуумные микроэлектронные устройства обладают потенциальными преимуществами перед твердотельными микроэлектронными устройствами. Вакуумные микроэлектронные устройства характеризуются высокой устойчивостью в отношении неблагоприятных внешних условий (включая температуру и радиацию), поскольку в них используются только металлы и диэлектрики. Устройства этого типа способны обеспечить очень высокие частоты срабатывания, т.к. здесь скорость электронов не ограничивается наличием взаимодействий с решеткой (Т.Utsumi, IEEE Trans. Electron Devices, 38, 10, p.2276 (1991)). Как правило, вакуумные микроэлектронные устройства имеют отличные характеристики выходного контура: низкую выходную проводимость, высокое напряжение и способность работы при высокой мощности.

Однако характеристики их входного контура (цепи управления) являются относительно невысокими: они имеют ограниченные возможности по току, низкую крутизну характеристики прямой передачи, высокое напряжение модуляции/включения и неудовлетворительные шумовые характеристики. Как следствие, несмотря на громадный объем исследований в данной области, устройства рассматриваемого типа нашли к настоящему времени весьма ограниченное применение, особенно в качестве усилителей и источников радиочастотных сигналов (S.lannazzo, Solid State Electronics, 36, 3, p.301 (1993)).

Большинство электронных компонентов в настоящее время изготавливаются на основе структур из Si или из полупроводниковых соединений. Поскольку подобным устройствам присуще электрическое сопротивление, прохождение через них электронов вызывает выделение тепла. Это тепло представляет собой главное препятствие для усилий по максимизации количества транзисторов в пределах заданной поверхности интегрального контура.

Были разработаны устройства, использующие вакуумные транзисторы, снабженные микроостриями. В таких транзисторах электроны движутся в вакууме и, следовательно, имеют наибольшую скорость. Благодаря этому вакуумные транзисторы могут работать на сверхвысоких частотах. Однако они имеют существенные недостатки, а именно являются нестабильными, обладают коротким сроком службы и требуют для своей работы относительно высоких напряжений.

В патенте США №6437360 описана плоская или вертикальная структура, подобная полевому МОП-транзистору и представляющая собой вакуумный полевой транзистор, в котором электроны движутся в свободном вакуумированном пространстве. Благодаря этому достигается высокое быстродействие устройств, использующих данную структуру. Плоская структура образована истоком и стоком, изготовленными из проводников, отстоящих на заданное расстояние от изолятора в форме тонкого канала и отделенных от него вакуумным каналом. В состав данной структуры входят также выполненный из проводника затвор, расположенный ниже истока и стока (причем указанный изолятор изолирует затвор от истока и стока), и изолирующая подложка, служащая основой при формировании указанного канального изолятора и затвора. Вакуумный полевой транзистор использует материал с низкой работой выхода, находящийся в зонах контакта между истоком и вакуумным каналом и между стоком и вакуумным каналом. Структура вертикального типа содержит проводящий, непрерывный сток кольцевой формы с полостью в центре, сформированный на канальном изоляторе; проводящий затвор, сформированный ниже канального изолятора, поверхность которого соответствует поверхности истока; и изолирующую подложку, которая служит основой, несущей исток и канальный изолятор. Имеются также изолирующие стенки, выступающие над стоком и образующие закрытый вакуумный канал, и исток, сформированный над вакуумным каналом. В структурах обоих типов истинные напряжения смещения прикладываются между затвором, истоком и стоком для того, чтобы обеспечить за счет полевого эффекта эмиссию электронов через вакуумный канал к стоку.

В GB 347544 описан фотоэлемент с заполнением баллона газом или парами. У фотоэлемента имеется сетка, удаленная от катода на расстояние, равное или меньшее длины свободного пробега электронов в условиях указанного заполнения баллона. Анод состоит из кольца, сквозь которое проходит свет. Для того чтобы предотвратить возврат электронов к катоду, потенциал сетки увеличен до значения, не превышающего 10 В, предпочтительно до 1-5 В. В качестве заполнителя может использоваться аргон или неон при давлении 133 Па.

В US 4721885 описаны высокоскоростные интегральные микроэлектронные устройства. Набор микроэлектронных устройств содержит подложку в форме пластины, на которой расположен массив заостренных (игловидных) катодных электродов. В каждом устройстве имеется анодный электрод, пространственно отделенный от катодного электрода. Каждое устройство заполнено газом при давлении 1-98 кПа, а расстояние между остриями катодных электродов и анодными электродами выбрано не превышающим 0,5 мкм. Устройства работают при таком напряжении, при котором средняя длина свободного пробега равняется или превышает расстояние между острием катодного электрода и соответствующим ему анодным электродом.

В US 4990766 описан твердотельный электронный усилитель. Известное микроусилительное устройство с эмиссией электронов, за счет полевого эффекта управляемое напряжением, состоит из массива эмитирующих катодов, основанных на полевом эффекте и расположенных с высокой пространственной плотностью. При этом модулирование и управление эмиссионными токами в устройстве обеспечивается изменением импедансов индивидуальных катодов. Эти импедансы сделаны чувствительными к внешним стимулам, таким как свет, рентгеновское излучение, инфракрасное излучение или бомбардировка частицами. В результате обеспечивается пространственное варьирование тока эмиссии пропорционально интенсивности управляющего стимула. При наличии фосфоресцирующего экрана или иного чувствительного элемента устройство может функционировать в качестве твердотельного преобразователя изображения или фотоумножителя.

В WO 96/10835 описана печатающая головка для оптического принтера, обеспечивающего печать на фоточувствительных поверхностях. В данной головке применена электронно-лучевая трубка, использующая эмиссию за счет полевого эффекта. Множество небольших электронных блоков, состоящих из эмитирующих катодов в форме конусов, расположенных в отверстии в аноде, образуют промежутки, размеры которых меньше средней длины свободного пробега электронов в окружающей атмосфере. При этом указанные блоки предпочтительно расположены вплотную друг к другу, чтобы сформировать пучок из множества составляющих. Третий электрод предпочтительно ускоряет и формирует пучок при его отделении от катода. После этого пучок падает на люминофорную пленку, которая при этом возбуждается и испускает свет. Свет проходит через пропускающую пластину, такую как входная оптоволоконная шайба, и падает на фоточувствительный материал.

Раскрытие изобретения

Промышленность испытывает потребность в существенном улучшении характеристик электронных устройств в целом и, в частности, транзисторов, а также в упрощении их производства и эксплуатации путем создания нового устройства для получения электронной эмиссии.

Устройство для получения электронной эмиссии согласно изобретению основано на новой технологии, которая позволяет исключить необходимость или, по меньшей мере, существенно понизить требования к степени вакуумизации внутреннего объема устройства. Тем самым повышается эффективность работы устройства при более значительном расстоянии между катодным и анодным электродами. Кроме того, по сравнению с аналогичными известными устройствами устройство по изобретению обеспечивает более стабильную работу при больших значениях тока, оно почти нечувствительно к значительному рассеянию энергии в устройстве и устойчиво к радиации. Эти достоинства достигнуты благодаря использованию фотоэлектрического эффекта, в соответствии с которым для выбивания (эмиттирования) электронов из твердого проводящего материала используются фотоны при условии, что энергия фотонов превосходит работу выхода для данного материала.

Устройство согласно настоящему изобретению сконфигурировано как устройство переключения электронной эмиссии. Термин "переключение" в контексте изобретения означает осуществление изменения электрического тока, текущего через устройство (т.е. тока между катодным и анодным электродами), включая такие режимы, как переход от рабочего к нерабочему состоянию, модификация электрического тока, усиление тока и др. Требуемое переключение может быть реализовано путем изменения (варьирования) освещенности катодного электрода (называемого для краткости также катодом) при неизменной разности потенциалов между электродами или путем изменения (варьирования) разности потенциалов между электродами устройства при неизменной освещенности катода или путем комбинирования названных приемов.

В соответствии с одним из широких аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для получения электронной эмиссии, содержащее электродный блок, в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод (называемый для краткости также анодом). При этом устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода и способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

Промежуток между указанными электродами может быть заполнен газом или вакуумирован. Давление в данном промежутке может быть выбрано достаточно низким для того, чтобы гарантировать, что средняя длина свободного пробега электронов, движущихся с ускорением от катода к аноду, превышает расстояние между катодным и анодным электродами (т.е. соответствующий размер указанного промежутка).

Электроды могут быть изготовлены из металлических или из полупроводниковых материалов. Желательно, чтобы катодный электрод характеризовался малой работой выхода или отрицательным сродством к электрону (подобно алмазу или поверхности GaAs с покрытием из цезия). Данное свойство может быть реализовано изготовлением электродов из соответствующих материалов и/или нанесением на катодный электрод покрытия из органического или неорганического материала (способного сформировать на поверхности дипольный слой, уменьшающий работу выхода).

Катодный электрод может быть сформирован таким образом, что его часть имеет острую кромку, т.е. кромку, размер которой в поперечном направлении не превышает 60 нм (т.е. имеет радиус не более 30 нм).

Устройство по изобретению снабжено модулем управления, обеспечивающим осуществление функции переключения. Данный модуль может поддерживать освещенность катодного электрода и осуществлять переключение, оказывая влияние на разность потенциалов между катодным и анодным электродами и тем самым изменяя электрический ток между ними. В альтернативном варианте модуль управления может осуществлять управление осветителем, чтобы изменить соответствующим образом освещенность катода и тем самым повлиять на электрический ток.

Электронный блок может содержать массив (состоящий, по меньшей мере, из двух) катодных электродов, ассоциированных с одним или более анодными электродами. Альтернативно, массив, состоящий, по меньшей мере, из двух анодных электродов, может быть ассоциирован с одним катодным электродом. Применительно к варианту с массивом анодов и единственным катодом модуль управления может поддерживать неизменной освещенность катодного электрода и управлять электрическим током между катодным электродом и каждым из анодных электродов путем изменения разности потенциалов между ними. В общем случае в устройстве по изобретению могут использоваться различные комбинации катодных и анодных электродов. В частности, в электродном блоке может быть применена пиксельная структура электродов. Катодные и анодные электроды могут располагаться в одной общей плоскости или в разных плоскостях.

Электродный блок может содержать, по меньшей мере, один дополнительный электрод (электрод затвора, называемый также для краткости затвором), электрически изолированный от катодного и анодного электродов. Электрод затвора может быть как пленарным, так и непланарным (например, цилиндрическим). Он может быть сконфигурирован также в виде сетки, расположенной между катодным и анодным электродами. Данный электрод может быть установлен в плоскости, параллельной плоскости, в которой размещены катодный и анодный электроды. Альтернативно, все электроды могут быть расположены в различных плоскостях.

Электрод затвора может быть использован для управления электрическим током между катодным и анодным электродами. Например, модуль управления может поддерживать неизменной освещенность катода и оказывать влияние на электрический ток между катодом и анодом (при неизменной разности потенциалов между ними) путем изменения (варьирования) напряжения на затворе.

Электродный блок может содержать также массив электродов затвора, пространственно отделенных от катодных и анодных электродов и электрически изолированных от них. В частности, устройство по изобретению может быть сконфигурировано в соответствии с различными логическими контурами или обеспечивать последовательное переключение различных электрических контуров.

В общем случае электродный блок может иметь любую требуемую конфигурацию, в частности соответствующую тетроду, пентоду и т.д., обеспечивая при этом снижение емкости подобных контуров.

Так, электродный блок может содержать массив анодных электродов, ассоциированных с одним катодным электродом и с одним электродом затвора. В этом случае модуль управления может поддерживать неизменной освещенность катодного электрода и управлять электрическим током между катодным и анодными электродами путем изменения напряжения, прикладываемого к электроду затвора.

Осветитель может содержать один или более источников оптического излучения (далее для краткости именуемого также светом) и/или использовать окружающее фоновое излучение. В некоторых неограничивающих вариантах осветитель может содержать газоразрядную лампу низкого давления (например, ртутную лампу) и/или газоразрядную лампу высокого давления (например, ксеноновую лампу), и/или непрерывный лазер, и/или импульсный лазер (например, с высокой частотой повторения импульсов), и/или, по меньшей мере, один нелинейный кристалл, и/или, по меньшей мере, один светодиод.

Катодный и анодный электроды могут быть изготовлены из ферромагнитных материалов, имеющих противоположно направленные магнитные моменты. В этом случае устройство может быть реализовано как спиновый клапан (Phys Rev. В, Vol.50, р.13054, 1994). В данном варианте переключения устройства между рабочим и нерабочим состояниями могут производиться переключением катодного и анодного электродов между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ". Для этой цели устройство может быть снабжено источником магнитного поля, выполненным с возможностью приложения к электродному блоку внешнего магнитного поля, приводящего к переключению одного из электродов между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ".

Катодный электрод может быть изготовлен из неферромагнитного металла или полупроводника, а анодный электрод - из ферромагнитного материала. В этом случае осветитель конфигурируется с возможностью генерирования света с круговой поляризацией для того, чтобы обеспечить эмиссию катодом спин-поляризованных электронов.

При этом устройство сможет переключаться между своими рабочим и нерабочим состояниями путем изменения поляризации света, освещающего катод, или путем переключения анодного электрода между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ", соответствующими его высокому пропусканию. Изменения поляризации света, освещающего катод, могут быть реализованы, например, использованием одного или более источников, испускающих свет, имеющий определенную поляризацию, в сочетании с вращателем плоскости поляризации (например, четвертьволновой пластиной), установленным на траектории светового пучка. Альтернативно, могут быть использованы селективно включаемые источники, испускающие свет различной поляризации.

Катодный электрод может быть нанесен на подложку, прозрачную в спектральном интервале, используемом для возбуждения катодного электрода. В этом случае осветитель может быть установлен и ориентирован таким образом, чтобы освещать катодный электрод через прозрачную подложку. В качестве альтернативы или дополнительно подложка, несущая анодный электрод (и, возможно, также электрод затвора), может быть выполнена прозрачной и расположенной в плоскости, пространственно удаленной от катода. В этом случае освещение катода может производиться через участки несущей анодный электрод подложки, находящиеся вне зоны расположения анодного электрода (или, возможно, через подложку, несущую анод, и через сам анод).

С использованием новых разработок в области нанотехнологии, в частности в области оптической литографии, устройство согласно изобретению может быть выполнено при малых затратах в виде субмикронной структуры. В этом случае электродный блок представляет собой интегральную структуру, содержащую первый и второй слои подложки, несущие соответственно катодный и анодный электроды, и разделительную структуру, расположенную между первым и вторым слоями-подложками. Данная структура выполняется с возможностью формирования промежутка между катодным и анодным электродами и может иметь в своем составе, по меньшей мере, один спой диэлектрического материала. Например, разделительная структура может содержать первый и второй диэлектрические слои и расположенный между ними электропроводный слой (электрод затвора). Первая и/или вторая подложки выполняются из материала, прозрачного в спектральном интервале, соответствующем возбуждающему излучению, что делает возможным освещение катода.

Электродный блок может представлять собой интегральную структуру, сконфигурированную с возможностью формирования набора компонентов, каждый из которых имеет описанную выше конструкцию. Более конкретно, в данном варианте интегральная структура содержит первый слой-подложку, несущий массив пространственно отделенных друг от друга катодных электродов; второй слой-подложку, несущий массив пространственно отделенных друг от друга анодных электродов; и разделительную структуру, расположенную между первым и вторым слоями-подложками. Разделительная структура выполнена с возможностью формирования массива пространственно разделенных промежутков (зазоров) между указанными массивами электродов.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается устройство для получения эмиссии электронов, содержащее электродный блок, в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод. При этом устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения от осветителя с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода. Благодаря этому устройство способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии путем оказания влияния на электрический ток между катодным и анодным электродами за счет выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций: изменения (варьирования) освещенности катодного электрода и изменения (варьирования) электрического поля между катодным и анодным электродами.

Изменение электрического поля может быть осуществлено изменением разности потенциалов между катодным и анодным электродами или (в случае использования, по меньшей мере, одного электрода затвора) изменением напряжения, приложенного к электроду затвора.

В соответствии с одним из широких аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для получения электронной эмиссии, содержащее электродный блок, в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод, по меньшей мере, один анодный электрод и, по меньшей мере, один дополнительный электрод, пространственно отделенный от катодного и анодного электродов. При этом устройство выполнено с возможностью возбуждения, по меньшей мере, одного катодного электрода посредством его освещения от осветителя с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из, по меньшей мере, одного катодного электрода в направлении, по меньшей мере, одного анодного электрода. Благодаря этому устройство способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии путем оказания влияния на электрический ток между катодным и анодным электродами за счет выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций: изменения (варьирования) освещенности катодного электрода и изменения (варьирования) электрического поля между катодным и анодным электродами.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается устройство для получения эмиссии электронов, содержащее электродный блок, в состав которого входят, по меньшей мере, один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод, пространственно отделенные друг от друга промежутком, заполненным газом. При этом устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения от осветителя с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода. Благодаря этому устройство способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

В соответствии с еще одним из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для получения электронной эмиссии, содержащее электродный блок, в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод, по меньшей мере, один анодный электрод и, по меньшей мере, один дополнительный электрод, пространственно отделенный от катодного и анодного электродов. При этом устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения от осветителя с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода. Благодаря этому устройство способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предлагается интегральное устройство, содержащее, по меньшей мере, одну структуру, способную функционировать в качестве модуля электронной эмиссии. Указанная структура содержит, по меньшей мере, один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод, выполненные соответственно на первом и втором слоях-подложках, пространственно отделенных друг от друга разделительной структурой. Данная разделительная структура формирует промежуток между катодным и анодным электродами. При этом, по меньшей мере, один из слоев-подложек изготовлен из материала, прозрачного к возбуждающему излучению, с обеспечением возможности освещения, по меньшей мере, одного катодного электрода для обеспечения фотоэмиссии из данного электрода. В результате устройство по изобретению способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается интегральное устройство, содержащее, по меньшей мере, одну структуру, способную функционировать в качестве модуля электронной эмиссии. Указанная структура содержит, по меньшей мере, один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод, выполненные соответственно на первом и втором слоях-подложках, пространственно отделенных друг от друга разделительной структурой. Данная разделительная структура содержит первый и второй диэлектрические слои и электропроводный слой, расположенный между диэлектрическими слоями, и выполнена с возможностью формирования промежутка между катодным и анодным электродами. При этом, по меньшей мере, один из слоев-подложек изготовлен из материала, прозрачного к возбуждающему излучению, с обеспечением возможности освещения, по меньшей мере, одного катодного электрода для формирования фотоэмиссии из данного электрода. В результате устройство по изобретению способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается интегральное устройство, содержащее, по меньшей мере, одну структуру, способную функционировать в качестве устройства для получения электронной эмиссии. Указанная структура содержит набор структур, способных функционировать в качестве модулей электронной эмиссии. При этом устройство содержит первый слой-подложку, несущий массив пространственно отделенных друг от друга катодных электродов;

второй слой-подложку, несущий массив пространственно отделенных друг от друга анодных электродов; и разделительную структуру, расположенную между первым и вторым слоями-подложками. Разделительная структура содержит, по меньшей мере, один диэлектрический слой и выполнена с возможностью формирования массива пространственно разделенных промежутков (зазоров) между первым и вторым массивами электродов. При этом, по меньшей мере, один из слоев-подложек изготовлен из материала, прозрачного к возбуждающему излучению, с обеспечением возможности освещения, по меньшей мере, одного катодного электрода для формирования фотоэмиссии из данного электрода. В результате устройство по изобретению способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии.

Согласно следующему аспекту изобретения предлагается способ обеспечения функционирования устройства, способного эмитировать электроны, в качестве устройства переключения фотоэмиссии. Способ по изобретению включает освещение катодного электрода возбуждающим излучением с формированием эмиссии электронов из катодного электрода в направлении анодного электрода и осуществление переключения путем выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций: управляемого изменения освещенности катода и управляемого изменения электрического поля между катодным и анодным электродами.

Как уже было указано, катодный и анодный электроды могут быть отделены друг от друга промежутком, заполненным газом (в частности, воздухом или инертным газом). В таком устройстве может использоваться или не использоваться фотоэлектрический эффект, поскольку оно основано на новой так называемой "газ-нанотехнологии" (gas-nano-technology). Данная технология свободна от недостатков вакуумной микроэлектроники. Кроме того, в отличие от существующих полупроводниковых электронных устройств она нечувствительна к значительному рассеянию энергии в устройстве и устойчива к радиации. Устройство по настоящему изобретению, выполненное на основе "газ-нанотехнологии", предусматривает прохождение электронов в воздухе или в иной газовой среде. Оно может быть сконфигурировано как переключающее или дисплейное устройство.

Таким образом, в соответствии с другим аспектом изобретения предлагается устройство для получения электронной эмиссии, содержащее электродный блок, в состав которого входят один катодный электрод и, по меньшей мере, один анодный электрод, пространственно отделенные друг от друга заполненным газообразной средой промежутком, размеры которого не превышают среднюю длину свободного пробега электронов в данной газовой среде.

Краткое описание чертежей

Для того чтобы облегчить понимание изобретения и продемонстрировать, каким образом оно может быть реализовано, далее, в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи будут описаны предпочтительные варианты его осуществления.

На фиг.1 представлена схематичная иллюстрация электронного устройства переключения фотоэмиссии, выполненного в соответствии с одним из вариантов изобретения и функционирующего как диодная структура.

На фиг.2 представлена схематичная иллюстрация электронного устройства переключения фотоэмиссии, выполненного в соответствии с другим вариантом изобретения и функционирующего как триодная структура.

На фиг.3А-3С представлены несколько примеров конструкции электродов, пригодных для использования в устройстве по фиг.2.

Фиг.4 иллюстрирует другую конфигурацию электронного устройства переключения фотоэмиссии согласно изобретению, в котором электродный блок содержит массив анодных электродов, взаимодействующих с общим катодным электродом.

Фиг.5 иллюстрирует еще одну конфигурацию фотоэмиссионного устройства по изобретению.

Фиг.6 иллюстрирует экспериментальные результаты функционирования устройства по изобретению, эмитирующего электроны и сконфигурированного, как устройство, представленное на фиг.1.

На фиг.7А-7С также представлены экспериментальные результаты, иллюстрирующие свойства настоящего изобретения. При этом на фиг.7А показано электронное устройство переключения фотоэмиссии согласно изобретению, выполненное, как простая планарная триодная структура, тогда как на фиг.7 В и 7С приводятся соответствующие экспериментальные данные. В частности, на фиг.7 В показана вольтамперная характеристика, измеренная на аноде для различных значений напряжения на затворе-сетке, а на фиг.7С - анодный ток, представленный, как функция напряжения затвора для различных значений напряжения на аноде.

На фиг.8А-8Е приведен пример осуществления электронного устройства переключения фотоэмиссии согласно изобретению, выполненного с размерами в диапазоне микрометров. При этом на фиг.8А представлено устройство, соответствующее базовому компоненту в многокомпонентном устройстве по фиг.8 В; на фиг.8С-8Е показаны результаты электростатического моделирования работы устройства по фиг.8А.

Фиг.9А-9С иллюстрируют дальнейшие примеры осуществления фотоэмиссионного устройства по изобретению, использующие принципы спинтроники в транзисторной структуре.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично изображено электронное устройство 10, построенное в соответствии с одним из вариантов изобретения. Устройство сконфигурировано как электронное устройство переключения фотоэмиссии. В рассматриваемом примере оно имеет конфигурацию диодной структуры. Устройство 10 содержит электродный блок 12, образованный первым катодным электродом (катодом) 12А и вторым анодным электродом (анодом) 12В, которые расположены поверх подложки 14 и пространственно удалены друг от друга с образованием зазора 15 между ними. Устройство выполнено с возможностью подвергать катод 12А воздействию возбуждающего излучения для того, чтобы катод эмитировал электроны в направлении анода. Как показано в данном примере, с этой целью устройство содержит осветитель 20, обеспечивающий освещение, по меньшей мере, катодного электрода 12А, который при этом эмитирует электроды в направлении анода.

Переключение (т.е. изменение электрического тока, протекающего между катодом и анодом) управляется путем освещения катодного электрода и приложения соответствующего электрического поля между анодным и катодным электродами. Например, разность потенциалов между электродами может поддерживаться неизменной, тогда как переключение осуществляется за счет модифицирования интенсивности освещения.

Другой вариант осуществления переключения состоит в варьировании разности потенциалов между электродами при неизменной интенсивности освещения. Согласно еще одному примеру модифицируют и освещение, и разность потенциалов между электродами. Следует отметить, что варьирование освещенности может быть достигнуто различными путями, например модифицированием режима функционирования источника оптического излучения, модифицированием поляризации или фазы испускаемого оптического излучения и т.д. Устройство 10 подключено к модулю 22 управления, в состав которого, среди прочих элементов, входят блок 22А питания, подающий напряжение на катодный и анодный электроды, и блок 22В управления освещением, обеспечивающий управление осветителем 20.

Катодный и анодный электроды 12А, 12В могут быть изготовлены из металлических или полупроводниковых материалов. Катодный электрод 12А предпочтительно является электродом с пониженной работой выхода. Для его изготовления могут быть применены материалы с отрицательным сродством к электрону (ОСЭ), например алмаз. Тем самым будет уменьшена энергия фотона (энергия возбуждения), необходимая для индуцирования фотоэмиссии. Еще один подход к уменьшению работы выхода состоит в нанесении покрытия или допировании катодного электрода 12А таким органическим или неорганическим материалом, который снижает работу выхода (подобное покрытие 16 условно изображено на чертеже в виде пунктирных линий). Примерами такого электрода могут служить электроды из металла, мультищелочные, двущелочные электроды или электроды из любого ОСЭ-материала, а также электрод из GaAs с покрытием или допированием цезием, обеспечивающий значение работы выхода около 1-2 эВ. Органическое или неорганическое покрытие, кроме того, защищает катодный электрод от загрязнения.

Осветитель 20 может содержать один или более источников света, излучающих в спектральном интервале (интервале длин волн), охватывающем спектральный интервал, используемый в устройстве по изобретению для возбуждения катода. Неограничивающий перечень источников света включает лампу низкого давления (например, ртутную лампу), другие лампы (например, ксеноновую лампу высокого давления), непрерывный лазер или импульсный лазер (работающий с высокой частотой повторения), один или более нелинейных кристаллов, один или более светодиодов, любой другой источник света или комбинацию этих источников.

Свет, генерируемый осветителем 20, может освещать (облучать) электрод (электроды) непосредственно или через прозрачную подложку (прозрачные подложки) 14 (такой вариант осветителя изображен штриховыми линиями).

Катодный и анодный электроды 12А, 12В могут быть отделены друг от друга вакуумным или газовым промежутком 15 (например, заполненным воздухом или инертным газом). Как это показано штриховыми линиями на фиг.1, устройство 10 в целом или только его электродный блок могут быть инкапсулированы и заполнены газом. Должно быть понятно, что давление газа является достаточно низким для того, чтобы средняя длина свободного пробега электронов, движущихся с ускорением между катодным и анодным электродами, превышала расстояние между этими электродами (размер промежутка 15). Тем самым устраняется необходимость в наличии вакуума между электродами или, по меньшей мере, существенно снижаются требования к качеству вакуумизации. Например, если промежуток между слоями, образующими анод и катод, равен 10 мкм, допустимо давление газа, составляющее несколько сотен паскалей. Другими словами, размер промежутка 15 между электродами 12А и 12В не должен превышать среднюю длину свободного пробега электронов в используемой газовой среде.

Следует, однако, отметить, что принципы настоящего изобретения (включая освещение катода) могут быть успешно реализованы также в традиционных устройствах на основе полевой эмиссии в вакууме. В этом случае будут существенно снижены требования к материалу катода в отношении низкой работы выхода и/или к его геометрии и/или в отношении требований к интенсивному электрическому полю.

Как показано штриховыми линиями на фиг.1, катодный электрод 12А может иметь очень острую кромку 17, размер которой в поперечном направлении не превышает, например, 60 нм (т.е. соответствует радиусу не более 30 нм). Такая конструкция катода, как правило, используется для того, чтобы обеспечить работоспособность устройства при более низком электрическом потенциале по сравнению с устройством с менее острыми кромками. При этом важно отметить, что применение освещения катода практически полностью устраняет необходимость в придании катоду острой кромки. По сравнению с традиционными устройствами рассматриваемого типа устройство по изобретению (в котором используется освещение катода) характеризуется лучшей стабильностью по току и меньшей чувствительностью к непостоянству поверхностных эффектов на электродах. Кроме того, устройство по изобретению способно работать при больших расстояниях между катодом и анодом и меньшей интенсивности приложенного поля, не требуя наличия острой кромки на катоде. Благодаря тому, что освещение катода позволяет работать при меньших напряжениях, снижается энергия электронов, достигающих анода, что предотвращает возникновение нежелательных эффектов на аноде, таких как распыление и испарение.

Фиг.2 схематично иллюстрирует электронное устройство 100 переключения фотоэмиссии согласно изобретению, построенное в виде триодной структуры. Для облегчения понимания компоненты, являющиеся общими для всех вариантов изобретения, имеют те же самые цифровые обозначения. Устройство 100 содержит электродный блок 12, образованный катодным и анодным электродами 12А, 12В, разделенными промежутком (зазором) 15 (вакуумным или газовым), а также электродом 12С затвора (управляющим электродом), который электрически изолирован от катода и анода.

В рассматриваемом примере электрод 12С затвора расположен над анодом 12В, от которого он отделен изолятором 18. Осветитель 20 (обеспечивающий выбивание электронов) выполнен и расположен таким образом, чтобы освещать, по меньшей мере, катодный электрод либо непосредственно (как это показано на чертеже), либо через оптически прозрачную подложку 14.

В конфигурации, представленной на фиг.2, электроды 12 В и 12С выполняют функции анода и управляющего электрода соответственно. Более конкретно, изменения электрического тока между анодом и катодом управляются путем селективной подачи напряжения на электрод затвора при неизменных значениях освещенности катода и разности потенциалов между катодом и анодом.

Должно быть, однако, понятно, что переключение может быть реализовано и с использованием других конфигураций, например путем переключения электродов 12В и 12С, расположения электродов 12В и 12С вплотную друг к другу, путем отказа от использования электрода 12С затвора с управлением электрическим током между электродами 12А и 12В приложением к ним соответствующего напряжения (как это показано на фиг.1) и/или варьированием освещенности.

На фиг.3А-3С приведены не требующие пояснений возможные (но не ограничивающие) варианты выполнения электродного блока, пригодные для использования в устройстве 100.

На фиг.4 приведен пример еще одной конфигурации электронного устройства 200 переключения фотоэмиссии согласно изобретению. В данном варианте электродный блок 12 содержит катодный электрод 12А и массив (состоящий, по меньшей мере, из двух) пространственно разделенных анодных электродов 12 В (в представленном примере имеются четыре таких электрода, расположенных по окружности или по дуге). Расстояние между анодными электродами 12В и катодным электродом 12А предпочтительно выбирается в зависимости от того, является ли промежуток между ними вакуумным или газовым. Осветитель 20 выполнен и расположен таким образом, чтобы обеспечить освещение катодного слоя. В представленном примере освещение производится через оптически прозрачную подложку 14, несущую катодный электрод 12А. Адресация катодного и каждого анодного электрода производится от источника питания индивидуальным образом. В процессе работы устройства модуль 22 управления управляет осветителем таким образом, чтобы поддерживать неизменной (или варьировать управляемым образом) освещенность катодного электрода и тем самым обеспечить выбивание (экстракцию) из него электронов. Модуль 22 управления обеспечивает также приложение разности потенциалов между катодом и соответствующими анодными электродами. Тем самым обеспечивается возможность формирования/ мультиплексирования потока данных.

На фиг.5 схематично представлен еще один пример электронного устройства 300 переключения фотозмиссии по изобретению. Устройство 300 содержит электродный блок 12 и осветитель 20. В состав электродного блока 12 входят катодный электрод 12А и либо единственный анодный электрод и несколько электродов затвора, либо единственный электрод затвора и несколько анодных электродов. В представленном примере использованы один электрод 12С затвора и массив из N (N=5) анодных электродов 12B⁽¹⁾-12B⁽⁵⁾. Осветитель 20 выполнен и расположен таким образом, чтобы обеспечить освещение катода через оптически прозрачную подложку 14. Поток данных может формироваться/мультиплексироваться варьированием напряжения, подаваемого на затвор 12С при поддерживании на заданном уровне напряжения на катодном и анодных электродах и при поддерживании (или управляемом варьировании) освещенности катодного электрода 12А. Варьирование напряжения на затворе 12С определяет траекторию электронов между катодом и анодными электродами: увеличение абсолютного значения отрицательного напряжения на затворе 12С приводит к перемещению электронов от катода последовательно к анодным электродам 12 В⁽¹⁾, 12 В⁽²⁾, 12 В⁽³⁾, 12B⁽⁴⁾ и 12 В⁽⁵⁾.

Фиг.6 иллюстрирует экспериментальные результаты функционирования электронного устройства 10 переключения фотоэмиссии, представленного на фиг.1. График G соответствует временной зависимости электрического тока через устройство при переключении осветителя 20 из рабочего состояния ("Свет") в нерабочее состояние ("Нет света"). В проиллюстрированном примере катодный и анодный электроды разделены промежутком 45 нм; приложенная к ним разность потенциалов соответствует 4,5 В.

Далее будут рассмотрены фиг.7А-7С, где представлены другие экспериментальные результаты, иллюстрирующие свойства настоящего изобретения. На фиг.7А показано электронное устройство 400 переключения фотоэмиссии согласно изобретению, выполненное, как простая планарная триодная структура. Электроды помещены в вакуумированный корпус, тогда как осветитель (источник света) 20 освещает полупрозрачный фотокатод 12А снаружи, через оптически прозрачную подложку 14. Электродный блок 12 содержит анодный электрод 12 В и электрод 12С затвора в виде сетки, расположенной между катодом и анодом.

Подложка 14 выполнена из кварцевого стекла и имеет толщину 500 мкм. Фотокатод 12А представляет собой фотоэмиссионное покрытие, нанесенное на подложку 14. Фотокатод в виде слоя из W-Ti (90%-10%) толщиной 15 нм изготовлен методом испарения электронным пучком (при скорости нанесения 0,1 нм/с). Затвор 12С в форме сетки образован набором пространственно разделенных металлических проволок диаметром 50 мкм с расстоянием между осями проволок, составляющим 150 мкм. Анодный электрод 12 В изготовлен из меди и имеет толщину 10 мм. Источник 20 света (ртутная лампа сверхвысокого давления) имеет выходную мощность 100 мВт в рабочей ультрафиолетовой области (240-280 нм). Свет подводился к обратной стороне фотокатода посредством специального жидкостного световода 21. Электродный блок 12 был помещен в керамическую оболочку, из которой перед измерениями с помощью простого вакуумного насоса откачивался воздух до давления примерно 665-1300 Па. В процессе измерений фотокатод 12А был заземлен.

На фиг.7В и 7С представлены результаты измерений. Фиг.7В - это вольтамперная характеристика, измеренная на аноде (12В на фиг.7А) для различных значений напряжения на затворе-сетке 12С.На фиг.7С представлен анодный ток как функция напряжения на затворе для различных значений напряжения на аноде 12В. Графики H₁-H₁₃ на фиг.7В соответствуют следующим значениям напряжения на затворе: 0,4 В, 0,2 В, 0,0 В, -0,2 В, -0,4 В, -0,6 В, -0,8 В, -1,0 В, -1,2 В, -1,4 В, -1,6 В, -1,8 В и -2,0 В. Графики R₁-R₁₀ на фиг.7С соответствуют следующим значениям напряжения на аноде: 10 В, 20 В, 30 В, 40 В, 50 В, 60 В, 70 В, 80 В, 90 В и 100 В.

Изобретателями показано, что путем замены материала W-Ti фотокатода более эффективным (в отношении фотоэмиссии) материалом, например Cs-Sb, ток может быть увеличен примерно на 6 порядков; кроме того, появляется возможность использовать излучение в видимой области. Это позволяет применить вместо источника УФ излучения простые светодиоды, работающие в видимой области.

На фиг.8А-8Е иллюстрируется иной вариант электронного устройства переключения фотоэмиссии с размерами в диапазоне микрометров. Такое устройство может быть изготовлено с применением различных известных полупроводниковых технологий. На фиг.8А представлено устройство 500, соответствующее базовому компоненту в многокомпонентном устройстве 600 по фиг.8В. На фиг.8С-8Е представлены результаты электростатического моделирования работы устройства по фиг.8А.

Как показано на фиг.8А, устройство 500 содержит электродный блок 12 и осветитель 20. Электродный блок 12 представляет собой многослойную структуру (стопу) 23, в состав которой входят катодный электрод 12А и анодный электрод 12В, разделенные промежутком 15, который образован разделительной структурой. В представленном варианте, соответствующем транзисторной конфигурации, данная разделительная структура содержит электрод 12С затвора.

В структуру 23 входят также базовый слой-подложка L1 (из изолирующего материала, в частности стекла), на котором сформирован анодный слой 12В, изготовленный из материала с высокой электропроводностью (например, из алюминия или золота), а также слой-подложка L2 из диэлектрического материала (например, из SiO₂), имеющий толщину, равную, например, 1,5 мкм. Имеются также слой L3 толщиной, например, около 2 мкм, образующий электрод затвора и выполненный из материала с высокой электропроводностью (например, из алюминия или золота), дополнительный слой L4 диэлектрического материала (например, из SiO₂), имеющий толщину, равную, например, 1,5 мкм, а также верхний слой-подложка L5, изготовленный из материала (например, из кварца), прозрачного в спектральном интервале, соответствующем возбуждающему излучению. Данный слой несет слой катода 12А (имеющий толщину, равную, например, нескольким десяткам нанометров), изготовленный из полупрозрачного материала, обладающего фотоэмиссией. Разделительная структура, т.е. диэлектрические слои и слой электрода затвора (слои L2-L4), выполнены таким образом, чтобы сформировать промежуток (зазор) 15 между катодным и анодным электродами 12А, 12В и образовать электрод 12С затвора в форме сетки. В приведенном примере зазор 15 вакуумирован; причем его ширина равна 3 мкм, а высота 5 мкм.

Следует отметить, что подложка (базовый слой L1), несущая анод, может быть прозрачной, так что освещение отражающего катода может производиться со стороны анода через промежуток 15. В том случае, когда анод полностью покрывает участок подложки L1 под катодом, анод также выполняется оптически прозрачным. Альтернативно, свет подается к катоду через те участки подложки L1, которые расположены вне ее участка, несущего анод.

Должно быть ясно, что устройство 500 (как и устройство 600 по фиг.8В) может быть построено с использованием многих иных конфигураций. Например, можно поменять местами анод и катод. Каждый или оба этих электрода могут перекрывать всю поверхность несущей их подложки (хотя это и приведет к значительному увеличению межэлектродной емкости и, следовательно, к ухудшению показателей на высоких частотах). Верхний слой-подложка L5 и нанесенный на него электродный слой (образующий в рассматриваемом примере катод 12А) могут быть закреплены на диэлектрическом слое L4 посредством сращивания или методом перевернутого кристалла (flip-chip), или по любой иной технологии. Толщина слоев и ширина зазора 15 могут варьироваться в широких пределах одна относительно другой без существенного ухудшения функциональности устройства. Кроме того, все размеры можно пропорционально увеличить или уменьшить на несколько порядков при сохранении принципов работы устройства.

Для того чтобы получить более высокие токи от устройства по настоящему изобретению, можно соединить параллельно друг другу несколько компонентов типа устройства 500, например, как это сделано в показанном на фиг.8В устройстве 600 (составленном из четырех компонентов 500).

Следует отметить, что промежуток (зазор) 15 может быть выполнен относительно широким (в горизонтальной плоскости), например, составляющим несколько миллиметров. Устройство 600, которое может содержать несколько тысяч подобных широких зазоров, расположенных смежно по отношению друг к другу, может иметь площадь поверхности порядка 1 см². Тем самым могут быть достигнуты сравнительно большие значения тока. Все анодные электроды 12 В, катодные электроды 12А и электроды 12С затвора будут при этом включены параллельно для того, чтобы обеспечить суммирование токов (соединения между электродами на чертеже не показаны). В альтернативном варианте доступ к описанным компонентам может осуществляться индивидуально, например, с целью создания фазированного массива. Следует также отметить, что осветитель 20 может содержать единственный источник света и соответствующие световоды (например, волоконные) для подвода света к компонентам 500.

На фиг.8С-8Е показаны результаты электростатического моделирования работы устройства 500, которое является компонентом устройства 600. Для облегчения восприятия изображены только электроды, т.е. фотокатод 12А, анод 12В и затвор 12С.При проведении моделирования принимается, что фотокатод 12А освещен и имеет потенциал 0 В, а анод имеет потенциал 5 В. На фиг.8С показаны траектории электронов, когда напряжение на затворе составляет 0 В (полный анодный ток). На фиг.8D представлена ситуация, когда напряжение на затворе составляет -0,7 В, тогда как фиг.8Е соответствует напряжению на затворе, равном -1 В (анодный ток отсутствует). Электроны эмиттируются с энергией Е_k=0,15 эВ.

На фиг.9А-9С представлен еще один вариант устройства по изобретению, сконфигурированный для использования принципов спинтроники в транзисторной структуре.

На фиг.9А представлено электронное устройство 700А переключения фотоэмиссии по изобретению, содержащее электродный блок 12 (с катодом 12А, анодом 12В и затвором 12С), осветитель 20 и источник 30 магнитного поля. Катодный и анодный электроды изготовлены из ферромагнитных материалов, отличающихся тем, что направления их магнитных моментов являются взаимно противоположными. В результате формируется спиновой клапан (спиновой вентиль). Работа в состоянии "СПИН ВВЕРХ" (SPIN UP) и для катода, и для анода обеспечивает повышение отношения сигнал/шум. Функционирование источника 30 магнитного поля, обеспечивающего приложение внешнего магнитного поля к электродному блоку, приводит к переходам катода и анода между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ" (SPIN DOWN) и тем самым - к переключениям транзистора между состояниями "ОТКРЫТ" и "ЗАПЕРТ".

На фиг.9В и 9С представлены устройства 700В и 700С переключения фотоэмиссии, в которых катод изготовлен из неферромагнитного материала или из полупроводника, тогда как анод изготовлен из ферромагнитного материала. В этом варианте, при условии соответствующего выполнения осветителя 20, обеспечивающего селективное освещение катода светом различных поляризаций, катод способен испускать спин-поляризованные электроны. Как показано в примере по фиг.9В, осветитель 20 содержит единственный источник 20А света, снабженный вращателем 20В плоскости поляризации (например, четвертьволновой пластиной). В примере по фиг.9С осветитель содержит два источника 21А и 21В света (обозначенные так же, как LS), излучающие свет двух различных поляризаций Р1 и Р2 соответственно. В приведенных примерах переключение транзистора между состояниями "ОТКРЫТ" и "ЗАПЕРТ" осуществляется варьированием поляризации падающего на него света (например, за счет селективного срабатывания, имеющегося в устройстве по фиг.9В вращателя 20В плоскости поляризации, установленного в ходе лучей). В примере по фиг.9С с этой же целью производится селективное включение одного из источников 21А, 21В света. Кроме того, можно осуществлять переход анодного электрода между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ".

Необходимо также отметить, что устройство в конфигурации по фиг.9С может быть использовано для управления электрическим током, текущим между катодом и анодом. В этом случае источники 21А и 21В света работают с различными частотами. Кроме того, во всех вышеописанных устройствах можно использовать более одного катода, анода, затвора и источника света.

Как уже отмечалось выше, зазор между катодным и анодным электродами может представлять собой не вакуумированный промежуток, а промежуток, заполненный газом (например, воздухом или инертным газом). Размер заполненного газом промежутка не должен превышать среднюю длину свободного пробега электронов в газовой среде. Например, размер такого промежутка может находиться в интервале от нескольких десятков нанометров (например, от 50 нм) до нескольких сотен нанометров (например, до 800 нм).

Применительно к конфигурациям устройства, использующим заполненный газом промежуток в отсутствие фотоэлектрического эффекта (т.е. при отсутствии осветителя 20 в вариантах по фиг.1 и 2), переключение может обеспечиваться путем изменения разности потенциалов между катодным и анодным электродами (и изменения тем самым электрического тока, текущего между ними) или поддерживанием постоянной разности потенциалов между катодом и анодом при изменении напряжения, прикладываемого к затвору. Должно быть понятно, что те же самые принципы применимы и к устройствам (типа показанного на фиг.9А), использующим промежуток, заполненный газом (без использования фотоэлектрического эффекта) для реализации спинового клапана.

Специалистам в данной области должно быть понятно, что, не выходя за объем изобретения, определяемый прилагаемой формулой, в описанные варианты устройства по настоящему изобретению могут быть внесены различные модификации и изменения.

1. Электронное переключающее устройство (10, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700А, 700 В, 700С), содержащее электродный блок (12), в состав которого входят пространственно отделенные друг от друга, по меньшей мере, один катодный электрод (12А), способный к фотоэмиссии, и, по меньшей мере, один анодный электрод (12В), причем устройство выполнено с возможностью возбуждения катодного электрода посредством его освещения от осветителя (20) с формированием тем самым фотоэлектронной эмиссии из катодного электрода и способно функционировать в качестве устройства переключения фотоэмиссии, и модуль управления, функционально связанный с осветителем и/или с электродным блоком для осуществления функции переключения путем воздействия на анодный ток за счет выполнения одной или обеих из следующих операций:

(i) модифицирования управляемым образом освещения катодного электрода и (ii) модифицирования управляемым образом электрического поля внутри электродного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный и анодный электроды разделены промежутком, заполненным газообразной средой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный и анодный электроды разделены вакуумированным промежутком.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что давление газа выбрано достаточно низким для того, чтобы средняя длина свободного пробега электронов, движущихся с ускорением от катода к аноду, превышала размер указанного промежутка между катодным и анодным электродами.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродный блок содержит массив анодных электродов, пространственно отделенных друг от друга.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродный блок содержит массив катодных электродов, пространственно отделенных друг от друга.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью воздействия на анодный ток за счет изменения управляемым образом разности потенциалов между указанными электродами.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродный блок содержит, по меньшей мере, один дополнительный электрод, электрически изолированный от катодного и анодного электродов.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде сетки, расположенной между катодным и анодным электродами.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что дополнительный электрод расположен в плоскости, пространственно удаленной от плоскости, в которой расположены катодный и анодный электроды.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что электроды расположены в различных плоскостях.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выполнено с возможностью оказания влияния на анодный ток путем модифицирования управляемым образом напряжения, приложенного к указанному, по меньшей мере, одному дополнительному электроду и тем самым изменения управляемым образом электрического поля.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выполнено с возможностью поддерживания неизменными освещенности катода и разности потенциалов между катодным и анодным электродами.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выполнено с возможностью модифицирования управляемым образом освещенности катода и тем самым оказания влияния на анодный ток.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный электрод сформирован таким образом, что его часть имеет острую кромку.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит осветитель, выполненный с возможностью функционирования в спектральном интервале, включающем возбуждающее излучение, способное вызвать эмиссию электронов из катодного электрода.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что осветитель содержит, по меньшей мере, один из следующих компонентов: газоразрядную лампу низкого давления, газоразрядную лампу высокого давления, непрерывный лазер, импульсный лазер, по меньшей мере, один нелинейный кристалл и, по меньшей мере, один светодиод.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что осветитель содержит ртутную лампу.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что осветитель содержит ксеноновую лампу.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный электрод покрыт или допирован органическим или неорганическим материалом.

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды изготовлены из металлических материалов.

22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды изготовлены из полупроводниковых материалов.

23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из катодного и анодного электродов изготовлен из металла, а другой из полупроводникового материала.

24. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из катодного и анодного электродов изготовлен из металла, а другой из смеси металла и полупроводника.

25. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный и анодный электроды изготовлены из ферромагнитных материалов, имеющих противоположно направленные магнитные моменты, при этом устройство выполнено с возможностью функционирования в качестве спинового клапана, с переключением катодного и анодного электродов между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ" и с переключением за счет этого устройства между нерабочим и рабочим состояниями.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с возможностью переключения между различными состояниями посредством изменения намагниченности катодного и анодного электродов по отношению друг к другу.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что содержит источник магнитного поля, выполненный с возможностью приложения внешнего магнитного поля к электродам для изменения за счет этого намагниченности одного из катодного и анодного электродов.

28. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный электрод выполнен из неферромагнитного металла или полупроводника, а анодный электрод - из ферромагнитного материала, при этом устройство выполнено с возможностью переключения между рабочим и нерабочим состояниями за счет изменения поляризации освещающего излучения.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что содержит осветитель, выполненный с возможностью функционирования в спектральном интервале, включающем возбуждающее излучение, и генерирования излучения с различными поляризациями.

30. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный электрод изготовлен из неферромагнитного металла или полупроводника, а анодный электрод выполнен из ферромагнитного материала, при этом устройство выполнено с возможностью переключения между различными состояниями за счет переключения анодного электрода между состояниями "СПИН ВВЕРХ" и "СПИН ВНИЗ".

31. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодный электрод расположен на подложке, прозрачной в спектральном интервале, включающем возбуждающее излучение, способное вызвать эмиссию электронов из катодного электрода, и тем самым обеспечивающей возможность освещения катодного электрода через прозрачную подложку.

32. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодный электрод расположен на подложке, прозрачной в спектральном интервале, включающем возбуждающее излучение, способное вызвать эмиссию электронов из катодного электрода, и тем самым обеспечивающей возможность освещения катодного электрода через участки несущей анодный электрод подложки, находящиеся вне зоны расположения анодного электрода.

33. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодный электрод выполнен прозрачным в спектральном интервале, включающем возбуждающее излучение, способное вызвать эмиссию электронов из катодного электрода, и тем самым обеспечивающим возможность освещения катодного электрода через анодный электрод.

34. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродный блок представляет собой интегральную структуру, содержащую первый и второй слои-подложки, несущие соответственно катодный и анодный электроды, и разделительную структуру, расположенную между первым и вторым слоями-подложками и выполненную с возможностью формирования промежутка между катодным и анодным электродами.

35. Устройство по п.34, отличающееся тем, что первая подложка несет массив катодных электродов, пространственно удаленных друг от друга.

36. Устройство по п.34, отличающееся тем, что вторая подложка несет массив анодных электродов, пространственно удаленных друг от друга.

37. Устройство по п.34, отличающееся тем, что разделительная структура содержит, по меньшей мере, один слой диэлектрического материала.

38. Устройство по п.37, отличающееся тем, что разделительная структура содержит первый и второй диэлектрические слои и расположенный между ними электропроводный слой, сконфигурированный с возможностью формирования дополнительного электрода.

39. Устройство по п.33, отличающееся тем, что разделительная структура сконфигурирована с возможностью формирования массива пространственно разделенных промежутков, каждый из которых сформирован между соответствующими катодным и анодным электродами.

40. Устройство по п.4, отличающееся тем, что размер промежутка между катодным и анодным электродами не превышает 800 нм.

41. Устройство по п.4, отличающееся тем, что размер промежутка между катодным и анодным электродами составляет несколько десятков нанометров.

42. Устройство по п.4, отличающееся тем, что размер промежутка между катодным и анодным электродами выбран в интервале от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен нанометров.

43. Способ обеспечения функционирования устройства (10, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700А, 700В, 700С), способного эмитировать электроны, в качестве устройства переключения фотоэмиссии, включающий обеспечение в составе указанного устройства фотоэмиссионного катодного электрода (12А), управление посредством возбуждающего излучения освещенностью фотоэмиссионного катодного электрода (12А) с управлением тем самым эмиссией электронов из катодного электрода в направлении анодного электрода (12В), управление электрическим полем между электродами указанного устройства и обеспечение функции переключения фотоэмиссии путем оказания влияния на электрический ток, текущий через анод, посредством выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций: управляемого модифицирования освещенности катодного электрода и управляемого модифицирования электрического поля внутри электродного блока.