[发明专利]一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构

说明书

技术领域

本发明涉及真空微纳电子器件领域，特别涉及一种能快速响应的场发射冷阴极电子源结构。

技术背景

场致电子发射(简称场发射)是一种由外加电场作用于材料表面、使其内部电子通过遂穿进入真空的电子发射形式，它是无时间迟滞的快速电子发射，并且可以获得高发射电流密度(10⁷A/cm²以上)。但是，根据场发射原理制作的电子发射结构(称为冷阴极电子源)，通常是平行电极状的结构，这样从电极结构上引入了一定的极间电容，制约了冷阴极电子源电子发射的快速响应。冷阴极电子源在微波管、行波管、显微镜、X射线管、平板显示器件等中有重要应用，而快速响应特性是冷阴极电子源在上述应用中的重要特性要求。

发明内容

本发明提供一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构，它能够减少场发射结构的极间电容的影响，使场发射冷阴极电子源在脉冲信号或其他的交流信号驱动下能够快速响应。

为了达到上述的技术目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述的一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其内容是：将呈容性阻抗特性的器件或电路与场致电子发射结构以串联形式连接，或者将呈感性阻抗特性的器件或电路与场致电子发射结构以并联形式连接，组成冷阴极电子源结构；通过引入容性阻抗或感性阻抗，减少场致电子发射结构的极间电容影响，实现冷阴极电子源快速响应的交流发射性能。

上述发明的实现和特征如下：

1)选择有阴极和控制栅极作为输入端的场发射结构；选择二端输入的容性器件或电路，或者选择二端输入的感性器件或电路。

2)将容性器件或电路，一端与场发射结构的阴极连接，另一端作为冷阴极电子源低电位输入电极；场发射结构的控制栅极作为冷阴极电子源高电位输入电极。或者将呈容性阻抗特性的二端器件或电路，一端与场发射结构的控制栅极连接，另一端作为冷阴极电子源高电位输入电极；场发射结构的阴极作为冷阴极电子源低电位输入电极。或者将呈感性阻抗特性的二端器件或电路，一端与场发射结构的阴极连接，并作为冷阴极电子源低电位输入电极；另一端与场发射结构的控制栅极连接，并作为冷阴极电子源高电位输入电极。

3)引入的容性阻抗或感性阻抗，抵消场发射结构阴极与控制栅极间的容性阻抗，使冷阴极电子源的容性输入阻抗变小，对交流驱动电压能够快速响应。

上述步骤1)所述的场致电子发射结构是任何一种由平行电极组成的结构，发射结构呈容性阻抗；其发射体类型包括尖针状发射体、薄膜型发射体、有序一维纳米材料阵列、无序一维纳米材料。如图1所示。

上述步骤2)所述的引入容性阻抗或感性阻抗，其器件或电路是以分立形式与场致电子发射结构连接，或者是以集成形式与场致电子发射结构形成一体化结构的连接。

上述步骤2)所述的引入容性或感性阻抗，其单元等效电路的时间常数接近或等于场发射结构极间电容等效电路的时间常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明由于通过引入补偿阻抗，减少场致电子发射结构的极间电容影响，实现冷阴极电子源快速响应的交流发射性能。

(2)本发明提出的引入容性阻抗或感性阻抗来减少场致电子发射结构的极间电容影响的方法，可以应用于高速交变电场驱动下的场发射冷阴极发射电流监测和取样中，场发射体工作在真空环境中，以确保场发射冷阴极电子源工作的稳定性和寿命。

(3)本发明提出快速响应的场发射冷阴极电子源结构，在微波器件、场发射平板显示器等真空微纳电子器件中有重要应用。

附图说明

图1a是本发明中的针尖状场发射体的结构示意图；

图1b是本发明中的薄膜型发射体的结构示意图；

图1c是本发明中的有序一维纳米材料的发射结构示意图；

图2a是在针尖状场发射体结构中引入容性电路后的冷阴极电子源结构示意图一；

图2b是在针尖状场发射体结构中引入容性电路后的冷阴极电子源结构示意图二；

图2c是在针尖状场发射体结构中引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图；

图3a是在薄膜型发射体结构中引入容性电路后的冷阴极电子源结构示意图一；

图3b是在薄膜型发射体结构中引入容性电路后的冷阴极电子源结构示意图二；

图3c是在薄膜型发射体结构中引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图；

图4a是在有序一维纳米材料发射结构中引入容性电路后冷阴极电子源结构示意图一；

图4b是在有序一维纳米材料发射结构中引入容性电路后冷阴极电子源结构示意图二；