專利名稱：電子發(fā)射陰極及其制造方法以及其應(yīng)用的制作方法
本申請是1995年10月5日遞交的，題目為“電子發(fā)射陰極及其制造方法及其應(yīng)用”的專利申請?zhí)枮?5118252．8的中國專利申請的分案申請。
本發(fā)明涉及一種電子發(fā)射陰極；電子發(fā)射裝置，平板顯示器，及包括該電子發(fā)射陰極的熱電型冷卻裝置；及制造該電子發(fā)射陰極的方法。
近年來，使用半導(dǎo)體小型化技術(shù)來集成小型電子發(fā)射裝備并旨在實(shí)現(xiàn)高性能裝置，如超高速裝置的研究已經(jīng)蓬勃地開展。這個研究領(lǐng)域被稱為“真空微電子學(xué)”。真空微電子學(xué)尤其將其注意力一直聚集在平板顯示器(或場發(fā)射顯示器；以下為“FEDS”)的應(yīng)用上，因?yàn)橛糜贔ED的電子發(fā)射裝置的使用被考慮會導(dǎo)致產(chǎn)生比傳統(tǒng)陰極射線管顯示器更薄且更輕的顯示裝置。
在包括電子發(fā)射裝置的FED中，電子發(fā)射裝置布置成兩維的排列并使得它們與其上涂有熒光物質(zhì)的一個陽極相對置。利用在每個陰極與該陽極之間施加電壓，使電子吸現(xiàn)進(jìn)入真空，在那里電子將和熒光物質(zhì)碰撞，致使其受激勵并發(fā)射出光。
以下將描述傳統(tǒng)的電子發(fā)射裝置。通常，當(dāng)從一固體電極中拉出電子時，其電流在密度J根據(jù)福勒爾-諾德海姆(Fowler-Nordheim)公式(式1)來求得J=(A·F2／φ)·exp(-B·φ3／2／F)
在上式中，A和B代表正常數(shù)；F代表電場；及φ代表陰極的逸出功。假定當(dāng)拉出電子時所施加的電壓為V，電場F則根據(jù)式2來求得F=βV 式2在上式中，β是由陰極的幾何形狀決定的常數(shù)。
根據(jù)式1及式2，當(dāng)保持施加電壓V恒定時，通過增大β和／或減小φ可以使電流密度J增大。但是，在使用半導(dǎo)體作陰極的情況下，可用減小電子親和力x(它是真空能級和半導(dǎo)體電帶之間的能量差)取代逸出功φ來增加電流密度J。為了增大β，必須對陰極處理使其具有尖銳的點(diǎn)。尤其是，例如常使用蝕刻n型硅襯底并使其形成具有尖銳點(diǎn)突起的電子發(fā)射部分的方法。


圖18是表示具有作為電子發(fā)射部分的尖銳點(diǎn)突起的傳統(tǒng)電子發(fā)射裝置的概要橫截面圖。如圖18所示，電子發(fā)射裝置500包括具有電子發(fā)射部分502的硅襯底504及形成在該硅襯底504上的柵極508，在它們之間夾有一絕緣膜506并使其圍繞著電子發(fā)射部分502。具有尖頂錐狀的電子發(fā)射部分502是由蝕刻硅襯底504獲得的。在硅襯底504上設(shè)置了一個電極510。
利用將電子發(fā)射裝置500放置在真空中并使其與一陽極對置，及相對于硅襯底504的電位對柵極508施加幾十伏至幾百伏的正電壓，由于其尖頂，電場將集中在電子發(fā)射部分502上。然后，由真空度形成的勢壘對于電子發(fā)射部分502中的電子來說被降低了，并且該勢壘變薄了，因此由于隧道效應(yīng)使電子從電子發(fā)射部分502的表面被吸出進(jìn)入到真空中。被吸出的電子受到放置在硅襯底504對面的陽極的捕獲，在陽極上相對柵極508的電位施加了幾百至幾千伏的正電壓。
在僅有硅襯底504及電子發(fā)射部分502組成的電子發(fā)射陰極，沒有任何柵極包括在內(nèi)的情況下，電子將直接地被拉出并被對置的陽極捕獲，這時在陽極及硅襯底504之間施加了幾百至幾千伏的電壓。
作為用來使電能轉(zhuǎn)換成熱能的傳統(tǒng)熱電式裝置，已公知了如圖19所示的熱電式冷卻裝置520。該熱電式冷卻裝置520具有其中通過金屬板526及528使n型半導(dǎo)體層522和p型半導(dǎo)體層524彼此交替串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。利用在端子530及532之間施加電壓，可使金屬板526或金屬板528被冷卻，而另一金屬板528或526則被加熱。
但是，上述傳統(tǒng)的電子發(fā)射裝置具有以下的問題。
首先，對電子發(fā)射部分的尖項(xiàng)必須以毫微米級的精度進(jìn)行加工，因此需要高復(fù)雜的半導(dǎo)體處理技術(shù)。因而，用低成本來制包括這種電子發(fā)射裝置的FEDS是有困難的。再者，電子發(fā)射裝置的該尖頂形狀易趨于改變，由此會產(chǎn)生由FED的非均勻顯示。此外，電子發(fā)射裝置的該尖頂易于被真空中的離子粒子撞擊而產(chǎn)生濺蝕，由此會在較短的時間周期中形成該尖頂?shù)膿p傷。其結(jié)果是，不能期望實(shí)現(xiàn)具有長壽命的FED。
在使用上述電子發(fā)射裝置構(gòu)成FED的情況下，必須實(shí)現(xiàn)約10-8乇(torr)的真空度。使用這種真空度的FEDS的商用生產(chǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。
此外，用作襯底的硅襯底限制了FED的顯示器尺寸。這將導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)大型顯示的FED的困難問題。
在傳統(tǒng)的熱電式冷卻裝置中，被冷卻的金屬板及被加熱的金屬板彼此通過n型半導(dǎo)體層522及p型半導(dǎo)體層524相連接。熱量將通過這些半導(dǎo)體層522及524從被冷卻的板傳遞到被加熱的板上，這就形成了大的熱泄漏。這便產(chǎn)生了非常低的冷卻／加熱效率。
本發(fā)明的目的在于提供一種電子發(fā)射陰極及一種電子發(fā)射裝置，它們可相對地免于時效的損壞，允許構(gòu)成大面積的裝置，并甚至在低真空度時也能高效地發(fā)射電子并且成本低及是有優(yōu)異的批量生產(chǎn)率。并且，提供包括該電子發(fā)射電極的一種高亮度、長壽命及大型顯示的平板顯示器。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種包括該電子發(fā)射電極的一種重量輕、效率高及功率大的熱電式冷卻裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，電子發(fā)射陰極包括一個n型半導(dǎo)體膜，其包含從該n型半導(dǎo)體膜表面上部分地突出的金剛石(diamond)顆粒；及一個陽極，它被放置在n型半導(dǎo)體膜的對面，并在這兩者間設(shè)有真空，其中利用在陽極與n型半導(dǎo)體膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該金剛石顆粒是由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子發(fā)射陰極包括一個碳膜，其包含從該碳膜表面上部分突出的金剛石顆粒；其中利用在一陽極與碳膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該碳膜是n型半導(dǎo)體或贗n型半導(dǎo)體。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該碳膜包含作為n型雜質(zhì)的氮，及部分的碳膜包含具有金剛石結(jié)構(gòu)的顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，電子發(fā)射陰極包括一個導(dǎo)電膜；形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜；形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半體導(dǎo)膜；其中利用在一陽極及第二半導(dǎo)體膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體膜被作成島狀形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子發(fā)射陰極包括一個導(dǎo)電膜；形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜；形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一半導(dǎo)體膜的一個表面；其中利用在一陽極及第二半導(dǎo)體膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，在第一半導(dǎo)體膜上也設(shè)有多個孔，由此曝露出導(dǎo)電膜的一個表面。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個包含摻硼的金剛石。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個是由含氮的薄碳膜構(gòu)成的，該薄碳膜是利用由吡啶(pyridine)、噠嗪(pyridazine)、嘧啶(pyrimidine)、及1，3，5-三嗪(triazine)組成的族中選擇出的一個的制成的。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，電子發(fā)射裝置包括一個由-n型半導(dǎo)體膜組成的陰極，該膜包含部分地從該n型半導(dǎo)體膜的表面突出的金剛石顆粒；及一個與該n型半導(dǎo)體膜對置的陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子發(fā)射裝置包括；一個由碳膜組成的陰極，該碳膜包含部分地從該碳膜表面突出的金剛石顆粒；及一個與該碳膜對置的陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，電子發(fā)射裝置包括；一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半導(dǎo)體膜；及與第一半導(dǎo)體膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子發(fā)射裝置包括一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一半導(dǎo)體膜的一個表面；及與第一半導(dǎo)體膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該電子發(fā)射裝置還包括設(shè)在陰極與陽極之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此相交叉，及該孔被設(shè)置成陰極與柵極交叉處中的孔。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，平板顯示器包括一個支承襯底；一個設(shè)在支承襯底上的陰極，它由一個n型半導(dǎo)體膜組成，該膜包含部分地從該n型半導(dǎo)體膜的表面突出的金剛石顆粒；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一真空。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，平板顯示器包括一個支承襯底；一個設(shè)在支承襯底上的陰極，它由碳膜組成，該碳膜包含部分地從該碳膜表面突出的金剛石顆粒；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一個真空。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，平板顯示器包括；一個支承襯底；一個設(shè)在支承襯底上的陰極，該陰極包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半導(dǎo)體膜；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一真空。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，平板顯示器包括一個支承襯底；一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一半導(dǎo)體膜的一個表面；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一真空。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該平板顯示器還包括設(shè)在陰極與熒光物質(zhì)之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此交叉，及該孔也被設(shè)置在陰極與柵極交叉處中。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，熱電式冷卻裝置包括具有一個表面的第一導(dǎo)電襯底；形成在第一導(dǎo)電襯底表面上的一個陰極；及與第一導(dǎo)電襯底表面對置的第二導(dǎo)電襯底及在它們之間設(shè)有一真空，其中電壓施加在第一導(dǎo)電襯底與第二導(dǎo)電襯底之間，由此使電子從陰極經(jīng)真空進(jìn)入第二導(dǎo)電襯底，及在第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底之間流過電流，因此獲得吸熱效應(yīng)并使第一導(dǎo)電襯底冷卻。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極是由一個n型半導(dǎo)體膜組成的，該膜包含部分地從該n型半導(dǎo)體膜表面上突出的金剛石顆粒。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極由一個碳膜組成，該碳膜包含部分地從該碳膜表面突出的金剛石顆粒。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一半導(dǎo)體膜的一個表面。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極包括具有一個低逸出功的表面的材料。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極包括多個微小突起。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，陰極是由一種半導(dǎo)體組成的。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底分別是兩個同軸的圓筒的側(cè)面。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底各具有肋條。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底以約100um或更小的間隔布置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于制造電子發(fā)射陰極的方法包括下列步驟制備包括金剛石顆粒及n型半導(dǎo)體粉末或碳粉末的糊劑；將該糊劑涂在一個襯底上；及燒結(jié)涂在襯底上的糊劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于制造電子發(fā)射陰極的方法包括下列步驟在一襯底上散布金剛石顆粒；及形成其厚度小于金剛石顆粒的顆粒直徑及部分具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于制造電子發(fā)射陰極的方法包括下列步驟形成部分具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳膜；及將金剛石顆粒加入到碳膜中。
因此，這里所描述的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了下列優(yōu)點(diǎn)(1)提供了低成本及高壽命的電子發(fā)射陰極，它具有高的生產(chǎn)率并能夠提供大的顯示面積；(2)提供了包括該電子發(fā)射陰極的電子發(fā)射裝置；(3)提供了包括該電子發(fā)射陰極或電子發(fā)射裝置的平板顯示器；及(4)提供了包括該電子發(fā)射陰極或電子發(fā)射裝置的高效熱電式裝置。
當(dāng)閱讀及理解了以下參照附圖的詳細(xì)說明時，對熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的這些及另外的優(yōu)點(diǎn)將會變得清楚。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明例1的一個電子發(fā)射裝置的透視圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明例1的另一個電子發(fā)射裝置的透視圖；圖2是用于圖1中電子發(fā)射裝置的一個電子發(fā)射陰極的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射陰極的透視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明例2的一個電子發(fā)射裝置的透視圖；圖4B是圖4A中的電子發(fā)射裝置的橫截面圖；圖4C是根據(jù)本發(fā)明例2的另一電子發(fā)射裝置的橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射裝置的橫截面圖；圖6是用于圖4A，4B及5中的電子發(fā)射裝置的電子發(fā)射陰極的能帶概圖；圖7是說明電子如何從用于圖4A、4B及5中的電子發(fā)射裝置的電子發(fā)射陰級釋放出來的概圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射陰極的橫截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射陰極的橫截面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射陰極的橫截面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一電子發(fā)射陰極的橫截面圖；圖12A是根據(jù)本發(fā)明的一個平板顯示器的橫截面概圖；圖12B是根據(jù)本發(fā)明的一個平板顯示器的橫截面概圖；圖13是適用于圖12A或12B中的平板顯示器的電子發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的透視圖，該電子發(fā)射陰極相應(yīng)于一個象素；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個熱電式冷卻裝置的橫截面概圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的另一個熱電式冷卻裝置的橫截面概圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的又一個熱電式冷卻裝置的橫截面概圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的另一個熱電式冷卻裝置的透視概圖；圖18是一個傳統(tǒng)的電子發(fā)射裝置的橫截面圖；圖19是一個傳統(tǒng)的熱電式冷卻裝置的透視圖。
以下將參照附圖通過例子來描述本發(fā)明。例1圖1A是根據(jù)本發(fā)明例1的一個電子發(fā)射裝置10的透視圖。如圖1A中所示，該電子發(fā)射裝置10包括設(shè)置在一個襯底12上的電子發(fā)射陰極14，一個設(shè)置在電子發(fā)射陰極14上的絕緣膜16，及一個設(shè)置在絕緣膜16上由導(dǎo)電膜構(gòu)成的柵極18。該柵極18及絕緣膜16兩者都具有孔20。每個孔20最好其直徑或在橫向上具有約幾毫微米至幾十微米的尺寸。圖1A中所示的孔20具有矩形形狀，但也20可具有任何種類的形狀，即圓形，三角形，五邊形等。
該電子發(fā)射裝置10還包括一個陽極22，它對襯底12保持約幾毫微米到幾十微米的距離并使其置于柵極18的對面。陽極22與電子發(fā)射陰極14之間的內(nèi)空間為約10-2至10-5乇的真空。利用在電子發(fā)射陰極14及柵極18之間施加幾十至幾百伏的電壓及在電子發(fā)射陰極14及陽極22之間施加幾百至幾千伏的電壓，施加在電子發(fā)射陰極14及柵極18之間的電壓將使電子從電子發(fā)射陰極14的表面發(fā)射出來。大部分發(fā)射出的電子朝向陽極22發(fā)射，而一些發(fā)射出的電子進(jìn)入到柵極18。可以利用施加于柵極18的電壓調(diào)整被發(fā)射電子的量。
雖然在圖1A中所示的電子發(fā)射裝置10具有三個端子，但也可以應(yīng)用并提供僅具有兩個端子的電子發(fā)射裝置10。在此情況下，省掉了柵極18及絕緣膜16，由此使電子發(fā)射陰極14直接地與陽極22對置。換一種方式，如圖1B所示，可將柵極18直接形成在電子發(fā)射陰極14上。在此情況下，當(dāng)電流從電子發(fā)射陰極14經(jīng)過孔20發(fā)射時，一部分電子將在柵極18及電子發(fā)射陰極14之間流過。
圖2是電子發(fā)射陰極14的一個透視圖。如圖2中所示，電子發(fā)射陰極14由碳膜24構(gòu)成，在其中加有金剛石顆粒26。該金剛石顆粒26是p型導(dǎo)電性的。至少一些金剛石顆粒26部分地從碳膜24的表面中突出來。最好金剛石顆粒26的表面以氫原子為限界，由此使表面的電導(dǎo)率改善。
電子通常在碳膜內(nèi)部遷移。當(dāng)電場通過碳膜24施加到金剛石顆粒26的表面上時，在碳膜24內(nèi)部的電子轉(zhuǎn)移到金剛石顆粒26的表面能級。金剛石天生具有非常小的電子親和力，因此適于作電子發(fā)射材料。尤其是，金剛石的(111)面具有負(fù)的電子親和力，并在該(111)面上其真空能級低于導(dǎo)帶能級。其結(jié)果是，在金剛石顆粒26表面能級上的電子通過(111)面的導(dǎo)帶能級發(fā)射到真空中。
電子發(fā)射到真空中是由于負(fù)的電子親和力，因此不需要施加高的電壓，并以大的轉(zhuǎn)移幾率發(fā)生。因而，非常大數(shù)目的電子可用非常低的電壓發(fā)射。再者，這種電子發(fā)射機(jī)構(gòu)不需要傳統(tǒng)電子發(fā)射裝置所需的高真空度。該電子發(fā)射裝置10可在僅約10-2至10-5乇的真空度下發(fā)射電子。
該電子發(fā)射裝置10例如是用以下方法制造的。
首先，在襯底12上形成電子發(fā)射陰極14。將具有p型導(dǎo)電性的金剛石顆粒與碳的細(xì)粉末相混合，對其添加合適的溶劑，以便形成糊劑。該金剛石顆粒26的顆粒直徑最好在幾毫微米至幾微米的范圍中。然后，在襯底12上由該糊劑形成合適厚度的膜并進(jìn)行烘焙，以致得到碳膜24。在形成碳膜24時使其厚度小于金剛石顆粒26的顆粒直徑，可保證金剛石顆粒26部分地從碳膜24的表面突出來。利用燒結(jié)處理，由于原子能級的結(jié)合或原子的相互作用在碳膜24的碳及金剛石顆粒26之間形成了表面能級。因此，電子從碳膜24移動到金剛石顆粒26中變得容易了。
襯底12可以是任何材料，只要它具有的熱阻能使襯底12在燒結(jié)處理期間免于其變型即可；它可以是導(dǎo)電的或絕緣的。也可以在另一襯底上用上述方法形成碳膜24，并然后將碳膜24轉(zhuǎn)移到襯底12上。
接著，將絕緣膜16及柵極18形成在由碳膜24作成的電子發(fā)射陰極16上。該絕緣膜16可由諸如氧化硅或氮化硅材料或其它的絕緣材料作成。導(dǎo)電膜18由導(dǎo)電材料如鋁作成。
然后，穿過柵極18及絕緣膜16形成孔20，以使電子發(fā)射陰極14的表面曝露出來。
最后，設(shè)置陽極22使其放置在電子發(fā)射陰極14的對面。將陽極22及電子發(fā)射陰極14之間的內(nèi)空間密封住并使其保持真空狀態(tài)，或者用另一方式，使整個陽極22及電子發(fā)射陰極14保持在真空中。于是就完成了電子發(fā)射裝置10?？墒褂糜糜趥鹘y(tǒng)電子發(fā)射裝置的導(dǎo)電元件，如形成在玻璃襯底上的透明電極，具有低電阻的硅襯底等來作陽極22。
雖然在上例中是對碳膜添加了具有p型導(dǎo)電性的金剛石顆粒，但也可以使用任何材料作成的膜，只要它能使電子有效地注入到p型導(dǎo)電性的金剛石顆粒中就行。
圖3是由在其中添加了金剛石顆粒26的半導(dǎo)體膜30作成的電子發(fā)射陰極14的透視圖。尤其是，該半導(dǎo)體膜30是被稱為DLC(金剛石狀的碳)的n型或贗n型非晶碳膜，它被摻入氮及包含微小的金剛石顆粒。該DLC膜具有的維氏硬度約為2000至6000kg／mm2，并且可由Raman散射頻譜中1550cm-1及1240cm-1附近的特定寬峰來識別。詞“贗n型”定義為雖然具有由電子組成的帶隙及載流子但具有很小或不具有n型特性。
在使用半導(dǎo)體膜30的情況下，最好在鋁襯底32上形成半導(dǎo)體膜30，以便對半導(dǎo)體膜30提供電子。在使用鋁時，在半導(dǎo)體膜30及襯底32之間獲得一種歐姆接觸。
利用結(jié)合上述結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射陰極14，對p型金剛石顆粒提供電子甚至可變得更容易，以致可在低電壓下發(fā)射大量的電子。
利用在襯底32上分散金剛石顆粒26，及然后在該襯底32上形成半導(dǎo)體膜30(由n型DLC膜構(gòu)成)可實(shí)現(xiàn)將金剛石顆粒26加到半導(dǎo)膜30中。也可以首先在襯底32上形成半導(dǎo)體膜30(由DLC膜構(gòu)成)，再將金剛石顆粒26壓入半導(dǎo)體膜30，然后烘焙該半導(dǎo)膜30。
該DLC膜例如可用以下方法形成。
將吡啶(pyridine)蒸氣導(dǎo)入到排除了空氣的真空室中。也可以將一惰性氣體擴(kuò)散到吡啶中并將其導(dǎo)入到一個室中。接著，對室內(nèi)部的吡啶施加幾十至幾百伏的電壓以使蒸發(fā)的吡啶電離，并以幾千伏的電壓使電離粒子加速及使其沉積在裝在室內(nèi)部的一個襯底上。由于該沉積膜包括氮原子，該膜的功能如一種n型半導(dǎo)體。也可以用噠嗪(pyridazine)及嘧啶(pyrimidine)或它們的衍生物來取代吡啶。也可以使用溶解在一種溶劑如苯中的吡嗪(pyrazine)，1，3，5-三嗪(triazine)或它們的衍生物。
如上所述，在根據(jù)本例的電子發(fā)射陰極中，金剛石顆粒被分散在一個碳膜或一個n型半導(dǎo)體膜上，以使它能夠以印刷或類似方式形成。因此，可以容易地及以低成本地生產(chǎn)大面積的電子發(fā)射陰極。再者，因?yàn)殡娮訌囊黄綘蠲姘l(fā)射出來，電極不容易受損變壞。該與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)不同的電子發(fā)射機(jī)構(gòu)可使得在低的真空度下發(fā)射電子。此外，可以通過對在單位電極區(qū)域中的金剛石顆粒數(shù)目的控制方便地控制被發(fā)射電子的數(shù)量。與傳統(tǒng)電子發(fā)射陰極相比可獲得明顯增大的單位面積的電流。
雖然在上述例中使用DLC膜作為半導(dǎo)體膜30，但也可使用由另外的半導(dǎo)體材料如硅或鍺等作成的膜。例2圖4A表示根據(jù)本發(fā)明例2的電子發(fā)射裝置40的透視圖。如圖4A中所示，該電子發(fā)射裝置40包括設(shè)在襯底42上的電子發(fā)射陰極44，設(shè)在電子發(fā)射陰極44上的絕緣膜46，及設(shè)在絕緣膜46上的柵極48。柵極48及絕緣膜46兩者均具有孔50。電子發(fā)射陰極44的部分在孔50的底部上曝露出來。
該電子發(fā)射裝置40還包括一個陽極22，它被保持在孔50中的電子發(fā)射陰極44的對面。在陽極22及電子發(fā)射陰極44之間的內(nèi)空間是約為10-2至10-5乇的真空。利用在電子發(fā)射陰極44及柵極48之間施加幾十至幾百伏的電壓及在電子發(fā)射陰極44及陽極22之間施加幾百至幾千伏的電壓，施加在電子發(fā)射陰極44及柵極48之間的電壓引起電子從電子發(fā)射陰極44的表面發(fā)射出來。大部分被發(fā)射出的電子流向陽極22，而一些被發(fā)射的電子進(jìn)入到柵極48。利用對施加在柵極48上電壓的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)被發(fā)射電子的量。
圖4B是該電子發(fā)射陰極44的橫截面圖。電子發(fā)射陰極44包括一個導(dǎo)電膜52，形成在該導(dǎo)電膜52上的n型半導(dǎo)體膜54，及形成在n型半導(dǎo)體膜54上的島狀p型半導(dǎo)體膜56。
雖然電子發(fā)射裝置40在圖4A及4B中被表示為具有三個端子，但是也可提供具有僅為兩個端子的電子發(fā)射裝置40。在此情況下，省略了柵極48及絕緣膜46，由此使電子發(fā)射陰極44直接與陽極對置，如圖5中所示。另外，如圖4C中所示，柵極48可直接形成在電子發(fā)射陰極14上。在此情況下，當(dāng)電流從電子發(fā)射陰極44通過孔50發(fā)射時，一部分電子將在柵極48及電子發(fā)射陰極44之間流過。
以下將描述根據(jù)本例的電子發(fā)射裝置40的工作。
當(dāng)一n型半導(dǎo)體與一p型半導(dǎo)體彼此形成接觸時，載流子將在結(jié)面上從高密度側(cè)向低密度側(cè)擴(kuò)散。其結(jié)果是，在結(jié)面附近載流子消失，因此在熱平衡狀態(tài)時在n型半導(dǎo)體及p型半導(dǎo)體之間出現(xiàn)擴(kuò)散勢位。假定該擴(kuò)散勢位的值為e VD，則p型半導(dǎo)體的下端具有的能級比n型半導(dǎo)體的下端的能級高e VD。因此，變成p型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的電子注入到導(dǎo)帶中，從能量利用來說使由p型半導(dǎo)體的導(dǎo)常發(fā)射電子比由n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶發(fā)射電子更為有利。
圖6是在相對陽極22將負(fù)電壓施加到導(dǎo)電膜52的情況下電子發(fā)射陰極44的能常概圖。
導(dǎo)電膜52，n型半導(dǎo)體膜54及p型半導(dǎo)體膜56具有它們各自的費(fèi)米能級62，64及66，如圖6所示，在p型半導(dǎo)體膜56的一端與真空能級之間形成了一個墊壘68。
由于在陽極22和導(dǎo)電膜52之間施加了電壓，電子70從導(dǎo)電膜52注入到n型半導(dǎo)體膜54的導(dǎo)帶。也由于該施加的電壓，電子70被注入到p型半導(dǎo)體膜56的導(dǎo)帶中，該導(dǎo)帶具有較高的能級。如上所述，在p型半導(dǎo)體膜56中電子親和力似乎變得小于n型半導(dǎo)體膜54的導(dǎo)帶中的親和力。其結(jié)果是，注入到p型半導(dǎo)體膜56中的電子70穿過勢壘68被釋放到真空中，該勢壘是由真空能級形成的但是由于施加電壓而變得薄一些，并且電子被陽極22捕獲。
作為p型半導(dǎo)體膜56中少數(shù)載流子的電子70的狀態(tài)是很重要的。在某些情況下，在p型半導(dǎo)體膜56的導(dǎo)帶中的電子70是由p型半導(dǎo)體膜56的價帶及p型半導(dǎo)體膜56的表面能級由于熱能或類似能激勵產(chǎn)生的；在另外情況下，在p型半導(dǎo)體膜56的導(dǎo)帶中的電子是由n型半導(dǎo)體膜54注入的。為了阻止p型半導(dǎo)體膜56中的電子70通過與空穴72的再結(jié)合而消失(后者是p型半導(dǎo)體膜56中的多數(shù)載流子)，當(dāng)電子被釋放到真空中時，電子70流經(jīng)p型半導(dǎo)體膜56的遷移長度應(yīng)小于電子70在p型半導(dǎo)體膜56中的擴(kuò)散長度。因而，在pN結(jié)中n型半導(dǎo)體膜54及p型半導(dǎo)體膜56的薄層彼此附著的情況下，p型半導(dǎo)體膜56的厚度應(yīng)被減小，以便避免上述問題。但是，均勻地產(chǎn)生非常薄的膜是困難的。因此，根據(jù)本例的電子發(fā)射裝置的特點(diǎn)是局部地積沉在n型半導(dǎo)體膜54上的島狀p型半導(dǎo)體膜56。
圖7是表示該n型半導(dǎo)體膜54及p型半導(dǎo)體膜56之間的結(jié)的放大橫截面圖。厚度W小于電子70的擴(kuò)散長度的情況下，電子70將如軌跡76所示地穿過p型半導(dǎo)體膜56而被釋放。
另一方面，在厚度W大于電子70的擴(kuò)散長度的情況下，將難于沿圖7中所示軌跡76釋放電子70。但是，在pN結(jié)74的附近，由n型半導(dǎo)體膜54注入的電子70可以擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體膜56的表面。如軌跡80所示，已經(jīng)擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體膜56表面的電子70在其與p型半導(dǎo)體膜56中的空穴再結(jié)合前變得可以被釋放到真空中。某些類型的半導(dǎo)體用來構(gòu)成p型半導(dǎo)體膜56能使電子70在p型半導(dǎo)體膜56的表面流過并如軌跡78所示地由p型半導(dǎo)體膜56的表面被釋放出去。軌跡76，78及80意在作為示范的軌跡，電子釋放的真實(shí)路徑將不一定流過這些軌跡。
因此，根據(jù)本例，部分地積沉在n型半導(dǎo)體膜上的p型半導(dǎo)體膜保證電子親和力有所減小，由此使經(jīng)過p型半導(dǎo)體膜擴(kuò)散的電子易于達(dá)到p型半導(dǎo)體膜的表面。其結(jié)果是，能有效地發(fā)射電子。
以下將參照圖4A，4B及5描述制造該電子發(fā)射裝置40的示范方法。
首先，在襯底42上形成電子發(fā)射陰極44。在襯底42上形成導(dǎo)電膜52，及在導(dǎo)電膜52上形成n型半導(dǎo)體膜54。然后，在短時間中在n型半導(dǎo)體膜54上積沉p型半導(dǎo)體膜56，這將不能使p型半導(dǎo)體膜56整體地覆蓋住n型半導(dǎo)體膜54。另一種方式是，形成整體覆蓋n型半導(dǎo)體膜54的p型半導(dǎo)體層，然后利用有選擇的蝕刻去除一部分p型半導(dǎo)體層，使得留下島狀p型半導(dǎo)體膜56。還可以使用具有島狀孔的掩摸在n型半導(dǎo)體膜54上形成p型半導(dǎo)體層再除去掩摸，或是在n型半導(dǎo)體膜54的表面上散布細(xì)的粒狀p型半導(dǎo)體來獲得p型半導(dǎo)體膜56。最好是將p型半導(dǎo)體膜56作成具有約幾毫微米至幾微米尺寸的島。對導(dǎo)電膜52及n型半導(dǎo)體膜54進(jìn)行選擇，以使得在它們之間產(chǎn)生歐姆接觸，并使得電子從導(dǎo)電膜52注入到n型半導(dǎo)體膜54變得容易。這樣，就形成了電子發(fā)射陰極44。n型半導(dǎo)體膜54及p型半導(dǎo)體膜可以是由摻過硼，磷或氮的金剛石或DLC膜來形成。
在電子發(fā)射陰極44上形成絕緣膜46及柵極48。該絕緣膜46可由氧化硅，氮化硅或類似物，及其它絕緣材料構(gòu)成。柵極48由導(dǎo)電材料如鋁構(gòu)成。然后穿過柵極48及絕緣膜46形成孔50，以使得電子發(fā)射陰極44的表面被曝露出來。在形成圖5中所示結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射裝置的情況下，不需要形成柵極與絕緣膜46。
最后，將陽極設(shè)置成與電子發(fā)射陰極44相對置。陽極22及電子發(fā)射陰極之間的內(nèi)空間被密封起來，以致保持真空狀態(tài)，或用另一方式，使整個陽極22及電子發(fā)射陰極44保持在真空中。這樣，就完成了該電子發(fā)射裝置40。
如以下所描述的，可以獲得上例所述電子發(fā)射陰極44的各種變型。
圖8概要地表示電子發(fā)射陰極80的橫截面圖。該電子發(fā)射陰極80包括形成在襯底42上的導(dǎo)電膜82，形成在導(dǎo)電膜82上的島狀n型半導(dǎo)體膜84，及形成在導(dǎo)電膜82上的島狀p型半導(dǎo)體膜86，并且后者成為局部地與n型半導(dǎo)體膜84相重疊。島狀n型半導(dǎo)體膜84及島狀p型半導(dǎo)體膜86可使用與上述電子發(fā)射陰極44所用方法相同的方法來形成。
電子發(fā)射陰極80當(dāng)其替代電子發(fā)射陰極44被構(gòu)在如圖4A或5所示的電子發(fā)射裝置40中時可類似地發(fā)射電子。
由于n型半導(dǎo)體膜84及p型半導(dǎo)體膜86之間的界面曝露在表面上，經(jīng)過n型半導(dǎo)體膜84內(nèi)部或表面在p型半導(dǎo)體膜86內(nèi)擴(kuò)散的電子能容易地到達(dá)界面附近的p型半導(dǎo)體膜86的表面。因?yàn)閜型半導(dǎo)體膜86具有似電子親和力，它在p型半導(dǎo)體膜86被施加電壓時小于n型半導(dǎo)體膜84的親和力，故電子能有效地從p型半導(dǎo)體膜86的表面釋放出來。
在圖9中所示的電子發(fā)射陰極90包括形成在襯底42上的一個導(dǎo)電膜92，形成在導(dǎo)電膜92上的島狀n型半導(dǎo)體膜94，及形成在n型半導(dǎo)體膜94上的p型半導(dǎo)體膜96。這種結(jié)構(gòu)是由形成覆蓋整個導(dǎo)電膜92的n型半導(dǎo)體層，在n型半導(dǎo)體層上形成島狀p型半導(dǎo)體膜96，及使用p型半導(dǎo)體膜96作為掩模對n型半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻由此產(chǎn)生島狀n型半導(dǎo)體膜而獲得的。
該電子發(fā)射陰極90當(dāng)其替代電子發(fā)射陰極44被結(jié)合在如圖4A或5所示的電子發(fā)射裝置40中時可類似地發(fā)射電子。
因?yàn)閚型半導(dǎo)體膜94及p型半導(dǎo)體膜96之間的界面被曝露在表面上，經(jīng)過n型半導(dǎo)體膜94內(nèi)部或表面在p型半導(dǎo)體膜96內(nèi)擴(kuò)散的電子能容易地到達(dá)界面附近的p型半導(dǎo)體膜96的表面。因?yàn)閜型半導(dǎo)體膜96具有似電子親和力，它在p型半導(dǎo)體膜96被施加電壓時小于n型半導(dǎo)體膜94的親和力，故電子能有效地從p型半導(dǎo)體膜96的表面釋放出來。
在圖10中所示的電子發(fā)射陰極100包括形成在襯底42上的導(dǎo)電膜102，形成在導(dǎo)電膜102上的n型半導(dǎo)體膜104，及形成在n型半導(dǎo)體膜104上的p型半導(dǎo)體膜106，該p型半導(dǎo)體膜106具有孔108。具有孔108的p型半導(dǎo)體膜106可通過形成n型半導(dǎo)體膜104并使其覆蓋整個導(dǎo)電膜102，形成限定孔108的島狀掩模，然后在n型半導(dǎo)體膜104上形成p型半導(dǎo)體膜106，再利用提起方法取走掩模來獲得。
該電子發(fā)射陰極100當(dāng)其替代電子發(fā)射陰極44被結(jié)合在如圖4A或5所示的電子發(fā)射裝置40中時可類似地發(fā)射電子。
因?yàn)閚型半導(dǎo)體膜104及p型半導(dǎo)體膜106之間的界面被曝露在表面上，經(jīng)過n型半導(dǎo)體膜104內(nèi)部或表面在p型半導(dǎo)體膜106內(nèi)擴(kuò)散的電子能容易地到達(dá)界面附近的p型半導(dǎo)體膜106的表面。因?yàn)閜型半導(dǎo)體膜106具有似電子親和力，它在p型半導(dǎo)體膜106被施加電壓時小于n型半導(dǎo)體膜104的親和力，故電子能有效地從p型半導(dǎo)體膜106的表面釋放出來。
在圖11中所示的電子發(fā)射陰極110包括形成在襯底42上的導(dǎo)電膜112，形成在導(dǎo)電膜112上的n型半導(dǎo)體膜114，及形成在n型半導(dǎo)體膜114上的p型半導(dǎo)體膜116，該n型半導(dǎo)體膜114及p型半導(dǎo)體膜具有多個孔118。導(dǎo)電膜112部分地在孔118的底部曝露出來。通過用光刻膠的蝕刻，陽極氧化或類似方法可以形成孔118。通過用光刻膠的蝕刻，可以形成其孔直徑為微米(um)級的孔118。利用陽極氧化，可以形成其孔直徑為毫微米(nm)級的孔118。對于孔118的直徑及數(shù)目沒有專門的限制。
該電子發(fā)射陰極110當(dāng)其替代電子發(fā)射陰極44被結(jié)合在如圖4A或5所示的電子發(fā)射裝置40中時，可類似地發(fā)射電子。
因?yàn)閚型半導(dǎo)體膜114及p型半導(dǎo)體膜116之間的界面被曝露在表面上，經(jīng)過n型半導(dǎo)體膜114內(nèi)部或表面在p型半導(dǎo)體116內(nèi)擴(kuò)散的電子能容易地到達(dá)界面附近的p型半導(dǎo)體膜116的表面。因?yàn)閜型半導(dǎo)體膜116具有似電子親和力，它在p型半導(dǎo)體膜116被施加電壓時小于n型半導(dǎo)體膜114的親和力，故電子能有效地從p型半導(dǎo)體膜116的表面釋放出來。
如上所述，本例的電子發(fā)射陰極具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中電子從n型半導(dǎo)體膜中提供，及在n型半導(dǎo)體膜及p型半導(dǎo)體膜之間的結(jié)的附近被曝露在真空中。其結(jié)果是，從n型半導(dǎo)體膜注入到p型半導(dǎo)體膜的電子將沿在其與p型半導(dǎo)體膜中的空穴再結(jié)合前就能釋放到真空中的路徑移動。因此，電子能有效地從p型半導(dǎo)體膜中釋放出來，該p型半導(dǎo)體膜與n型半導(dǎo)體膜相比具有較小的電子親和力。
此外，不需要用突出形狀的電子發(fā)射部分。因此，電子發(fā)射陰極可以形成在各種類型的襯底上，并且易于形成具有大面積的電子發(fā)射陰極。因?yàn)闆]有突出的部分，就不容易引起電場的聚集，由此隨著時間電極的狀態(tài)僅產(chǎn)生非常小的變化。
雖然在上述例中是在襯底42上形成導(dǎo)電膜，但如果襯底42本身是導(dǎo)電的，則不需要在襯底42上形成導(dǎo)電膜。也可以使用n型半導(dǎo)體襯底，并將襯底及n型半導(dǎo)體膜看成一個整體單元。
使用摻硼的金剛石作p型半導(dǎo)體將會產(chǎn)生更為有效的電子發(fā)射裝置，如例1中所述因?yàn)橄鄬α硗獾牟牧辖饎偸碾娮佑H和力非常??；及金剛石的某些晶體面具有負(fù)的電子親和力。這種電子發(fā)射裝置也可工作在低真空度(約10-2乇)中，因?yàn)榻饎偸瘜Υ髿馐嵌栊缘?，而硅基電子發(fā)射裝置需要一定的真空度，因?yàn)樗诖髿庵幸资艿轿廴?，即，因?yàn)闀纬裳趸?。最好是金剛石的表面以氫原子為限界，以便在金剛石表面獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性能。
使用金剛石作n型半導(dǎo)體膜看來是可能的，但難以獲得具有滿意特性的n型金剛石。因此，最好如例1中所述的，使用包括小金剛石顆粒的DCL膜作為n型半導(dǎo)體膜。在此情況下，鋁適于作導(dǎo)電膜，以致能獲得極佳的歐姆接觸。
此外，在上述的電子發(fā)射陰極中，n型半導(dǎo)體膜形成在導(dǎo)電膜上及p型半導(dǎo)體膜形成在n型半導(dǎo)體膜上。但是電子發(fā)射陰極也可包括形成在導(dǎo)電膜上的p型半導(dǎo)體膜及形成在p型半導(dǎo)體膜上的n型半導(dǎo)體膜。這是因?yàn)閜-n結(jié)曝露在真空氣氛中便帶來了本發(fā)明的某些效果。例3在本例中，將描述包括例1及例2中所述的電子發(fā)射陰極或電子發(fā)射裝置的平板顯示器。
圖12A是平板顯示器150的橫截面概圖。雖然，圖12A所描繪的例中使用的是例2中所述的電子發(fā)射陰極(見圖5)，但是在例1及2中所述的任何電子發(fā)射陰極均可用于該平板顯示器150。
在該平板顯示器150中，如例2中所述的包括一個導(dǎo)電膜52，一個n型半導(dǎo)體膜54及一個p型半導(dǎo)體膜56的電子發(fā)射陰極44被形成在一個支承襯底152上。
該平板顯示器150還包括一個由玻璃或類似物作成的透明襯底156。由ITO(銦錫氧化物)或類似物作成的透明電極158形成在透明襯底156上，在該透明電極上設(shè)有熒光膜160。該熒光膜160是由無機(jī)材料如ZnO∶Zn或有機(jī)材料如熒光染料及一種熒光導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的。
透明襯底156及支承襯底152彼此保持一定距離，在它們之間夾有絕緣體154，以使得透明電極158與電子發(fā)射陰極44彼此對置。在透明襯底156及支承襯底152之間形成的內(nèi)空間162中是真空。
利用在該平板顯示器150的透明電極158及電子發(fā)射陰極44之間施加電壓，電子將從電子發(fā)射陰極44中釋放出來并被加速。被加速的電子與透明電極158上的熒光膜160相撞擊且熒光膜受激勵，由此發(fā)光。
在該平板顯示器150中，當(dāng)一個加速裝置設(shè)置于電子發(fā)射陰極44及透明襯底156之間來取代透明電極150的情況中，可以省掉透明電極150。在此情況下，最好在熒光膜160上設(shè)置一層薄鋁膜。
也可以設(shè)置柵極48來拉出靠近電子發(fā)射陰極44的電子，如圖12B中所示的平板顯示器170內(nèi)那樣。柵極48設(shè)置在電子發(fā)射陰極44上并在它們之間夾有絕緣膜46。如參照圖4在例2中所解釋的，柵板48可直接地形成在電子發(fā)射陰極44上。在圖12B中也曾出現(xiàn)在圖12A中的構(gòu)件使用與其中相同的標(biāo)號。在平板顯示器170中，利用在柵極48及電子發(fā)射陰極44之間施加電壓使電子從電子發(fā)射陰極44中拉出，并被透明電極158(它是陽極)加速，以使得透明電板158上的熒光膜160受激勵，由此發(fā)光。
在圖12A中的平板顯示器具有兩個端子，因此具有簡單的結(jié)構(gòu)。圖12B中的平板顯示器170具有三個端子，因此它具有相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是由于它的柵板，有利于灰色色調(diào)的顯示器。
為了能構(gòu)成具有多個象素的平板顯示器，可以使用如13中所示結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射陰極。圖13是表示相對于一個象素的電子發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的透視圖。如圖13中所示，條狀信號電極線180作成沿著方向Y延伸，并有如例1或例2中所述的電子發(fā)射陰極設(shè)置在該條狀柵極線180上。另外，延X方向延伸的條狀柵極線182形成在信號電極線180上，因此與信號電極線180相交叉并在它們之間夾有絕緣膜184。在柵極線182及信號電極線180的交叉處，有一個孔186形成在柵極線182中，由此使電子發(fā)射陰極44的表面曝露出來。如果需要的話，可以在不與柵極線182交叉的電子發(fā)射陰極44的部分設(shè)置絕緣膜。
利用多個信號電極線180及多個柵極182按上述結(jié)構(gòu)布置，以致構(gòu)成一個其上設(shè)有一象素矩陣的襯底，并將該襯底放置在帶有設(shè)了熒光膜的透明電極的對面，便可實(shí)現(xiàn)具有多個象素的平板顯示器。例4如例1及2中所述的，本發(fā)明的電子發(fā)射陰極能在真空中高效地發(fā)射大量電子。利用這個特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)具有一種新穎結(jié)構(gòu)的熱電式冷卻裝置。
圖14表示一種熱電式冷卻裝置200的橫截面概圖。該熱電式冷卻裝置200包括第一導(dǎo)電襯底202，形成在該第一導(dǎo)電襯底202上的陰極204，及第二導(dǎo)電襯底206。在例1及2中所述的任何一種電子發(fā)射陰極均可用作陰極204，第一導(dǎo)電襯底202及第二導(dǎo)電襯底206布置成彼此對置并使陰極204面向內(nèi)。在第一導(dǎo)電襯底202及第二導(dǎo)電襯底之間的空間210中是用密封玻璃208密封的真空。第一導(dǎo)電襯底202與第二導(dǎo)電襯底206之間的間隙保持在約100um或更小。
利用在第二襯底206上施加電壓并使第一導(dǎo)電襯底202處于負(fù)電位，來自電源的電子從第一導(dǎo)電襯底202移向陰極204。在該時間點(diǎn)上，由于珀爾貼(peltier)效應(yīng)第一導(dǎo)電襯底202將吸熱。
如例1或例2所述的，陰極204能高效率地將電子發(fā)射到真空中。因此，第一導(dǎo)電襯底202流入陰極204的電子被吸出到真空210中，由于電子發(fā)射效應(yīng)使第一導(dǎo)電襯底202或陰極204失去熱。
被發(fā)射的電子在吸出到真空210中后進(jìn)入到與第一導(dǎo)電襯底202對置的第二導(dǎo)電襯底206。在此時刻，電子以熱釋放了它們自己的位能及動能，因而使第二導(dǎo)電襯底206受加熱。
因此，當(dāng)操作熱電式冷卻裝置200時，第一導(dǎo)電襯底202被冷卻，而第二襯底206被加熱。因?yàn)閷?dǎo)電襯底202及206放置在真空210中，該真空210阻止熱量從第二襯底206傳送到第一襯底202，由此就阻止了由于熱漏損產(chǎn)生的冷卻或加熱效率的任何實(shí)質(zhì)性下降。被從第一導(dǎo)電襯底202取走的熱量愈大及施加的吸出電子的電壓愈高則熱效應(yīng)愈大。
于是，就獲得了一種高效率及大功率的熱電式冷卻裝置。因?yàn)殡姌O可由金屬板及薄膜作成，故不需要如在傳統(tǒng)的珀爾貼元件的情況中那樣使用大量稀有金屬，表現(xiàn)出資源有效使用的優(yōu)點(diǎn)。由于僅需要小量的相應(yīng)材料，該裝置可作成具有小重量，并導(dǎo)致低的制造成本。由于真空的空間可設(shè)計成很窄，可以實(shí)現(xiàn)非常薄的冷卻裝置。
如以下所述的，可作出對這種熱電式冷卻裝置的各種改型。
如圖15所示的熱電式冷卻裝置220包括一個陰極226，它取代圖14中所示的熱電式冷卻裝置200的陰極204。該陰極226包括一個n型半導(dǎo)體膜222及形成在n型半導(dǎo)體膜222表面上的氧化銫膜224。此外，該熱電式冷卻裝置220包括形成在第二導(dǎo)電襯底206面上的陽極236，該陽極與第一導(dǎo)電襯底202相對置。陽極236包括p型半導(dǎo)體膜236及氧化銫膜234。
因?yàn)檠趸C具有小的逸出功，故上述結(jié)構(gòu)能以高效率將電子釋放到真空中。通過構(gòu)成具有相反導(dǎo)電型的陰極226的半導(dǎo)體膜222及陽極236的半導(dǎo)體膜232(即分別為n型及p型)，可以減低第一導(dǎo)電襯底202及第二導(dǎo)電襯底206之間所施加的電壓。此外，利用使電流流動方向反向，可以變?yōu)槭沟诙?dǎo)電襯底206冷卻及使第一導(dǎo)電襯底202加熱。
表示在圖16中的熱電式冷卻裝置240包括一個n型半導(dǎo)體膜242，它取代圖15中所示的熱電式冷卻裝置220的陰極226，及一個p型半導(dǎo)體膜246，它取代熱電式冷卻裝置220中的陽極236。該n型半導(dǎo)體膜242在其表面上具有多個微小的突起244。該p型半導(dǎo)體膜246在其表面上也具有多個微小的突起244。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，甚至在使用具有相對大逸出功的半導(dǎo)體材料時也可以釋放大量電子到真空中。
該微小突起244可以直接地形成在n型半導(dǎo)體膜242及p型半導(dǎo)體膜246上。另一方式是，可以在第一導(dǎo)電襯底202及第二導(dǎo)電襯底206上形成微小突起，然后在它們各自表面上形成n型半導(dǎo)體膜242及p型半導(dǎo)體膜246。
也可以對該熱電式冷卻裝置的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型。
圖17中所示的熱電式冷卻裝置300包括一個起第一導(dǎo)電襯底作用的圓筒形導(dǎo)體302，設(shè)置在該圓筒形導(dǎo)體302表面的陰極304，起第二導(dǎo)電襯底作用的一個圓筒形導(dǎo)體306，及設(shè)置在該圓筒形導(dǎo)體306內(nèi)壁面上的陽極308。圓筒形導(dǎo)體306布置成與圓筒形導(dǎo)體302相共軸。
任何參照圖15及16所描述的陰極及陽極可用來作為相應(yīng)的陰極304及陽極308。也可以使用在例1及2中所述的任何電子發(fā)射陰極來作電子發(fā)射陰極304，而省掉陽極308。
利用密封件312將圓筒形導(dǎo)體302及圓筒形導(dǎo)體306固定住，并使其保持真空310。在圓筒形導(dǎo)體302的內(nèi)壁面及圓筒形導(dǎo)體306的外壁面上分別設(shè)有多個肋片314及316。
從電源流出的電子進(jìn)入圓柱形導(dǎo)體302，并當(dāng)其移到形成在圓柱形導(dǎo)體302表面的陰極304時，由于珀爾貼效應(yīng)而吸熱。該吸熱效應(yīng)對于繞肋片314流動的流體作功，因此該流體失去熱，即被冷卻。另一方面，由于在圓筒形導(dǎo)體306及圓筒形導(dǎo)體302之間施加了電壓，進(jìn)入陰極304的電子被從陰極304的表面拉出，在真空310中飛行，穿過陽極308并進(jìn)入到圓筒形導(dǎo)體306，這時電子將釋放它們保留的能量，這使得圓筒形導(dǎo)體306被加熱。輻射熱將通過肋片316傳送并到達(dá)在肋片316外側(cè)流動的流體，于是使該流體加熱。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，甚至當(dāng)其作得非常緊湊時也可使流體被高效地冷卻或加熱。
圓筒形導(dǎo)體302及306也可具有任何形狀，只要它們分別能起到第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底的作用，盡管圓筒形狀能提供更好的熱效率。例如，圓筒導(dǎo)體302及306也可具有多邊形狀，以取代圓筒形狀。
可以理解，根據(jù)本例的熱電式冷卻裝置，加熱件及冷卻件彼此被小真空內(nèi)空間隔開，因此大大地降低了從高溫側(cè)到低溫側(cè)的熱量漏損。因?yàn)樵撜婵諆?nèi)腔非常的小，故由于空間電荷效應(yīng)出現(xiàn)的電子屏障是很小的。因此，電子的發(fā)射能有效地進(jìn)行。在使用了例1或例2中所述的高效率電子發(fā)射陰極的情況下，由于電子發(fā)射效應(yīng)可獲得顯著的冷卻效果。其結(jié)果是，可以實(shí)現(xiàn)重量輕、效率高及功率大的熱電式冷卻裝置。
雖然對例3及4所述的平板顯示器及熱電式冷卻裝置作為例1及2中所述的電子發(fā)射裝置的應(yīng)用例作出描述，但本發(fā)明的電子發(fā)射陰極及電子發(fā)射裝置也可應(yīng)用于工作于高速度的一種開關(guān)裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電子發(fā)射陰極及一種電子發(fā)射裝置，它們可相對地免于時效的損壞，允許構(gòu)成大面積的裝置，并甚至在低真空度時也能高效地發(fā)射電子并且成本低及是有優(yōu)異的批量生產(chǎn)率。并且，提供了包括該電子發(fā)射電極的一種高亮度、長壽命及大型顯示的平板顯示器。
另外，也提供了一種包括該電子發(fā)射電極的一種重量輕、效率高及功率大的熱電式冷卻裝置。
在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然易于作出各種另外的變更。因此所附權(quán)利要求書的范圍并不僅局限于所給出的說明上，而應(yīng)具有較寬的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1．電子發(fā)射陰極，包括一個導(dǎo)電膜；形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜；形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半導(dǎo)體膜，及與導(dǎo)電膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及第二半導(dǎo)體膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射陰極，其中第一半導(dǎo)體膜被作成島狀形狀。
3．電子發(fā)射陰極，包括一個導(dǎo)電膜；形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜；形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一個半導(dǎo)體膜的一個表面；及與導(dǎo)電膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空；其中利用在陽極及第二半導(dǎo)體膜之間施加一電壓使電子發(fā)射。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的電子發(fā)射陰極，其中在第一半導(dǎo)體膜上也設(shè)有多個孔，由此曝露出導(dǎo)電膜的一個表面。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射陰極，其中第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個包含摻硼的金剛石。
6．根據(jù)權(quán)利要求3的電子發(fā)射陰極，其中第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個包含摻硼的金剛石。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射陰極，其中第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個是由含氮的薄碳膜構(gòu)成的，該薄碳膜是利用從由吡啶(pyridine)、噠嗪(pyridazine)、嘧啶(pyrimidine)及1，3，5-三嗪(triazine)組成的族中選擇出的一個制成的。
8．根據(jù)權(quán)利要求3的電子發(fā)射陰極，其中第一半導(dǎo)體膜及第二半導(dǎo)體膜中的一個是由含氮的薄碳膜構(gòu)成的，該薄碳膜是利用從吡啶、噠嗪、嘧啶及1，3，5-三嗪組成的族中選擇出的一個制成的。
9．電子發(fā)射裝置，包括一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半導(dǎo)體膜；及與第一半導(dǎo)體膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空；其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
10．電子發(fā)射裝置，包括一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出第一半導(dǎo)體膜的一個表面；及與第一半導(dǎo)體膜對置的一個陽極并在這兩者之間設(shè)有真空，其中利用在陽極及陰極之間施加一電壓使電子從陰極發(fā)射出來。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的電子發(fā)射裝置，還包括設(shè)在陰極與陽極之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的電子發(fā)射裝置，其中陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此相交叉，及該孔被設(shè)置成陰極與柵極交叉處中的孔。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的電子發(fā)射裝置，還包括設(shè)置在陰極與陽極之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的電子發(fā)射裝置，其中陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此相交叉，及該孔被設(shè)置成陰極與柵極交叉處中的孔。
15．平板顯示器，包括一個支承襯底；一個設(shè)在支承襯底上的陰極，該陰極包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的第二導(dǎo)電型的一個島狀第二半導(dǎo)體膜；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一真空。
16．平板顯示器，包括一個支承襯底；一個陰極，它包括一個導(dǎo)電膜，形成在該導(dǎo)電膜上的第一導(dǎo)電型的一個第一半導(dǎo)體膜，及形成在第一半導(dǎo)體膜上的并具有多個設(shè)在其中的孔的第二導(dǎo)電型的一個第二半導(dǎo)體膜，該多個孔至少曝露出來第一半導(dǎo)體膜的一個表面；一個透明襯底；及設(shè)置在透明電極表面的熒光物質(zhì)，其中支承襯底及透明襯底以這種方式布置，即陰極與熒光物質(zhì)成彼此對置，及在支承襯底及透明襯底之間的內(nèi)空間中設(shè)有一真空。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的平板顯示器，還包括設(shè)在陰極與熒光物質(zhì)之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的平板顯示器，其中陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此交叉，及該孔被設(shè)置在陰極與柵極交叉處中。
19．根據(jù)權(quán)利要求16的平板顯示器，還包括設(shè)在陰極與熒光物質(zhì)之間的一個柵極，該柵極具有孔，用于至少曝露陰極的一部分，其中利用在柵極上施加一電壓使電子從陰極拉出。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的平板顯示器，其中陰極及柵極被作成沿不同方向延伸的條，以致彼此交叉，及該孔被設(shè)置在陰極與柵極交叉處中。燒結(jié)涂在襯底上的糊劑。
21．用于制造電子發(fā)射陰極的方法，包括下列步驟在一襯底上設(shè)置金剛石顆粒及形成其厚度小于金剛石顆粒的顆粒直徑及部分具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳膜。
22．用于制造電子發(fā)射陰極的方法，包括下列步驟形成部分具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳膜；及將金剛石顆粒加入到碳膜中。
全文摘要
一種電子發(fā)射陰極包括:一個n型半導(dǎo)體膜,該膜包含部分地從該n型半導(dǎo)體膜表面上突出的金剛石顆粒;及一個與n型半導(dǎo)體膜對置的陽極,并在它們之間具有真空。利用在陽極與n型半導(dǎo)體膜之間施加電壓使電子發(fā)射。
文檔編號H01J9/02GK1282974SQ0010545
公開日2001年2月7日 申請日期1995年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月5日
發(fā)明者田中博由, 小寺宏一, 內(nèi)田正雄 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社