专利名称：一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构的制作方法
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。
背景技术：
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。
上述歩骤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l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。
图la是本发明中的针尖状场发射体的结构示意图lb是本发明中的薄膜型发射体的结构示意图lc是本发明中的有序一维纳米材料的发射结构示意图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；
图4c是在有序一维纳米材料发射结构中引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图5a是未引入补偿器件或电路的场发射冷阴极电子源结构特性测试示意图5b是未引入补偿器件或电路的场发射冷阴极电子源结构碳纳米管冷阴极发射体形貌图5c是未引入补偿器件或电路的场发射冷阴极电子源发射电流波形图6a是引入补偿容性电路的场发射冷阴极电子源结构特性测试示意图6b是引入补偿容性电路的场发射冷阴极电子源的碳纳米管冷阴极发射体形貌图6c是引入补偿容性电路的场发射冷阴极电子源发射电流波形图。
具体实施例方式
如图la 图lc所示的场发射结构示意图。图中栅极层ll;绝缘层12,发射体13，导电 衬底14，阴极5，控制栅极4。所述发射体13分别为如图la、图lb及图lc所示的尖针状 发射体结构、薄膜型发射体结构及有序一维纳米材料阵列的发射体结构。
图2a 2c示出本发明在针尖状场发射结构中的应用。其中图2a和图2b是引入容性电路 后的冷阴极电子源结构示意图，图2c是引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图。图中针 尖状场发射结构21;电容2，电阻3，该电容2和电阻3连接后组成容性补偿电路；控制栅 极4，阴极5;补偿电感6。
图3a 3c示出本发明在薄膜型场发射结构中的应用。图3a和图3b是引入容性电路后的 冷阴极电子源结构示意图，图3c是引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图。图中是薄膜 型场发射结构31;电容2，电阻3，它们组成容性补偿电路图；控制栅极4，阴极5;补偿
电感6。
图4a 4c示出本发明在一维纳米材料场发射结构中的应用。其中图4a和图4b是引入容 性电路后的冷阴极电子源结构示意图，图4c是引入电感器件的冷阴极电子源结构示意图。
图中薄膜型场发射结构41;电容2，电阻3，它们组成容性补偿电路；控制栅极4，阴极5;
补偿电感6。
图5a 5c示出未引入补偿器件或电路的场发射冷阴极电子源结构特性测试示意图。图 5a是测试方案图，图5b是碳纳米管冷阴极发射体形貌图，图5c是场发射冷阴极电子源发 射电流波形图。图中碳纳米管冷阴极发射结构51,高压脉冲电源52，冷阴极发射电流取样 电阻53，示波器54，且波形"A"是输入控制栅极的高压脉冲电压波形，波形"B"是碳纳 米管冷阴极发射的电流波形。
图6a 6c示出本发明的场发射冷阴极电子源实施例的特性测试示k图。其中图6a是测 试方案图，图中61是引入补偿电路的碳纳米管冷阴极电子源，62是高压脉冲电源，63是 冷阴极发射电流取样电阻，64是示波器。图6b是碳纳米管冷阴极发射体形貌图。图6e是 场发射冷阴极电子源发射电流波形图，其中波形"A"是输入控制栅极的高压脉冲电压波形， 波形"B"是碳纳米管冷阴极发射的电流波形。以下以碳纳米管薄膜作为场发射体，将呈容性阻抗特性的电路与场致电子发射结构以 串联形式连接，组成冷阴极电子源结构。如图6a 6c所示，其具体结构和电流发射特性测试
描述如下
1) 将在不锈钢衬底上生长的碳纳米管薄膜作为场发射体(通常作为阴极)，将铜网作
为控制栅极，组成场发射结构；将由电容C和电阻R组成的并联电路与场发射结构中碳纳 米管场发射体的衬底连接，引出电极，组成冷阴极电子源结构。
2) 选择合适的电容C的容值和电阻R的阻值，使并联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。
3) 将冷阴极电子源结构放置在真空腔中，且真空腔的真空度小于10—5Pa。
4) 将冷阴极电子源结构的控制栅极上接入脉冲电压源；阴极串接一个取样电阻，然后 接地。
5) 开启脉冲电压源，输入交变信号驱动冷阴极电子源；通过示波器提取取样电阻上的 电压，作为冷阴极电子源的响应输出。
图5a 5c是未引入补偿电路的碳纳米管薄膜场发射结构特性测试示意图和场发射电流 响应波形图，由图5c波形展示出场发射结构呈容性器件，栅极一阴极间的电容对脉冲信 号的高频成分响应有较大的影响，即与输入信号相比，输出信号的上升沿和下降沿上均出 现畸变。
图6a 6c是引入容性补偿电路后的碳纳米管薄膜场发射结构特性测试示意图和场发射 电流响应波形图，由图6c波形图展示出本发明的冷阴极电子源结构，场发射响应能够无 畸变的响应输入信号，减少了场发射结构中的栅极一阴极间的电容对脉冲信号的高频成分 响应的影响。具有上述特性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，也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。另外，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。
权利要求
1. 一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其特征在于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。
2. 按权利要求1所述的快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其特征在于所述的场致 电子发射结构是任何一种由平行电极组成的结构，发射结构输入特性呈容性阻抗。
3. 按权利要求2所述的快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其特征在于所述发射结 构中的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。
4. 按权利要求1至3任一项所述的快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其特征在于 所述的引入容性或感性阻抗，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。
5. 按权利要求4所述的快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其特征在于所述的引入 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。
全文摘要
本发明涉及一种快速响应的场发射冷阴极电子源结构，其内容及特征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。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。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。
文档编号H01J1/30GK101419887SQ20081019841
公开日2009年4月29日 申请日期2008年9月8日 优先权日2008年9月8日
发明者佘峻聪, 许宁生, 赖新宇, 邓少芝, 军 陈 申请人:中山大学