RU2586628C1 - Source of electrons with field-emission emitters - Google Patents

Source of electrons with field-emission emitters Download PDF

Info

Publication number
RU2586628C1
RU2586628C1 RU2014150269/07A RU2014150269A RU2586628C1 RU 2586628 C1 RU2586628 C1 RU 2586628C1 RU 2014150269/07 A RU2014150269/07 A RU 2014150269/07A RU 2014150269 A RU2014150269 A RU 2014150269A RU 2586628 C1 RU2586628 C1 RU 2586628C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
emitter
substrate
emission
control electrode
Prior art date
Application number
RU2014150269/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Владимирович Минаков
Василий Васильевич Сень
Андрей Александрович Пилевский
Александр Юрьевич Поройков
Мухамед Данильевич Бавижев
Магомет Абубекирович Конов
Алексей Александрович Рахимов
Александр Турсунович Рахимов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий"
Priority to RU2014150269/07A priority Critical patent/RU2586628C1/en
Priority to PCT/RU2015/000741 priority patent/WO2016093735A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2586628C1 publication Critical patent/RU2586628C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J21/00—Vacuum tubes
    • H01J21/02—Tubes with a single discharge path
    • H01J21/06—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
    • H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode

Abstract

FIELD: electronic equipment.
SUBSTANCE: invention relates to source of electrons, intended for use in field-emission electronic devices. Source comprises multiple controlled field-emission cells formed on substrate 1 coated with insulation 2 and conducting layers 3, having multiple holes (4, 5). In each of such holes on substrate field-emission emitter 7 is placed. Each cell is formed by emitter 7, which together with his part of substrate cathode cell, and its control electrode is part of this layer adjacent to hole 5 in conducting layer 3. Feature of this source is fact that substrate 1 around emitter 7 has annular groove 9, which surface is coated with insulating material (10.1, 12.1) or oxidised.
EFFECT: increased electric strength gaps control electrode-emitter due to increased electric strength of surface structure elements, separating said electrodes.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, более конкретно - к автоэмиссионным электронным приборам, а именно к источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами, предназначенному для использования преимущественно в таких приборах.The invention relates to electronic equipment, and more particularly to field emission electronic devices, and in particular to a source of electrons with field-emitting emitters, intended for use mainly in such devices.

Содержащиеся в приборах рассматриваемого типа эмитирующий электроны и управляющий электроды часто называют соответственно эмиттером или катодом и вытягивающим электродом, вытягивающей сеткой или просто сеткой. Указанный эмиттер называют также автоэмиттером, холодным катодом, автокатодом, автоэлектронным катодом, полевым эмиттером, а используемое явление эмиссии электронов - автоэмиссией, автоэлектронной эмиссией, холодной эмиссией, полевой эмиссией.The emitting electrons and control electrodes contained in the devices of the type in question are often referred to as the emitter or cathode and the drawing electrode, drawing wire or just wire, respectively. The specified emitter is also called a car emitter, a cold cathode, a cathode, a field electron cathode, a field emitter, and the used phenomenon of electron emission is called field emission, field emission, cold emission, field emission.

Ниже, в основном, применяются термины "автоэлектронный эмиттер" и "управляющий электрод", а для устройства, содержащего пару этих электродов, - название "источник электронов с автоэлектронными эмиттерами". В данной области техники такое устройство называют также "катодно-сеточный узел". Дальнейшее содержание описания предлагаемого изобретения следует воспринимать с учетом сказанного об отмеченной особенности терминологии в данной области.Below, the terms "field emitter" and "control electrode" are mainly used, and for a device containing a pair of these electrodes, the name "source of electrons with field-emission emitters" is used. In the art, such a device is also called a “cathode-grid assembly”. Further content of the description of the invention should be taken in view of what has been said about the noted features of the terminology in this field.

Известны конструкции источника электронов с автоэлектронными эмиттерами, содержащие массив управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями.Known designs of an electron source with field-emitter emitters containing an array of controllable field-emission cells formed on a substrate with sequentially deposited insulating and conductive layers on it.

Известны два основных типа таких источников электронов: с острийными автокатодами (см., например, патенты США: №3789471, опубл. 05.02.1974 [1]; №5332627, опубл. 26.07.1994 [2]) и с автоэлектронными катодами, выполненными на основе углеродных наноструктур различного типа (см., например, европейский патент №1115135, опубл. 18.08.2004 [3]; патент США №8604681, опубл. 10.12.2013 [4]).Two main types of such electron sources are known: with pointed autocathodes (see, for example, US patents: No. 3789471, publ. 02/05/1974 [1]; No. 5332627, publ. 07/26/1994 [2]) and with autoelectronic cathodes made based on carbon nanostructures of various types (see, for example, European patent No. 1115135, publ. 08/18/2004 [3]; US patent No. 8604681, publ. 10.12.2013 [4]).

Оба этих типа объединяет то, что в указанных изоляционном и проводящем слоях выполнены коаксиальные отверстия. В каждой паре таких отверстий на подложке сформирован автоэлектронный эмиттер. Каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована этим автоэлектронным эмиттером, который вместе с частью подложки, ограниченной примыкающим к ней отверстием в изоляционном слое, является катодом автоэмиссионной ячейки. Управляющим электродом ячейки является ближайшая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя.Both of these types are united by the fact that coaxial holes are made in said insulating and conductive layers. An autoelectronic emitter is formed in each pair of such holes on the substrate. Each controlled field-emission cell is formed by this field-emitter, which, together with a part of the substrate bounded by an opening adjacent to it in the insulating layer, is the cathode of the field-emission cell. The control electrode of the cell is the portion of this layer closest to the hole in the conductive layer.

При использовании источника электронов с автоэлектронными эмиттерами в составе электронного прибора последний в большинстве случаев снабжен анодным электродом. Вся совокупность названных электродов размещена в вакуумированном объеме. Для получения потока электронов на управляющем электроде создают положительный потенциал относительно подложки, с которой контактирует автоэлектронный эмиттер (катод). Если этот потенциал превышает работу выхода эмиттера, образуется направленный поток электронов от него к управляющему электроду. При подлете к последнему электроны попадают в зону действия поля, создаваемого анодным электродом, и большая их часть продолжает движение в сторону анода.When using an electron source with field emission emitters as part of an electronic device, the latter is in most cases equipped with an anode electrode. The entire set of these electrodes is placed in a vacuum volume. To obtain an electron flux at the control electrode, a positive potential is created with respect to the substrate with which the field-emitter (cathode) is in contact. If this potential exceeds the work function of the emitter, a directed flow of electrons from it to the control electrode is formed. When approaching the latter, the electrons fall into the field of action of the field created by the anode electrode, and most of them continue to move toward the anode.

Для увеличения плотности создаваемого тока необходимо увеличение напряженности электрического поля, вследствие чего существенно возрастают требования к электрической прочности промежутка катод (автоэлектронный эмиттер) - управляющий электрод.To increase the density of the generated current, it is necessary to increase the electric field strength, as a result of which the requirements for the electric strength of the gap cathode (field-emission emitter) - the control electrode increase significantly.

Известно техническое решение по патенту США №5442193, опубл. 15.08.1995 [5], направленное на предотвращение дугового разряда между автоэлектронным эмиттером и управляющим электродом в автоэмиссионной ячейке непосредственно через разделяющее эти электроды пространство. Вероятность такого пробоя возрастает вследствие неидеальности вакуумирования. Согласно данному техническому решению управляющий электрод полностью (включая стенки указанных выше отверстий в образующем этот электрод проводящем слое), а также стенки отверстий в изоляционном слое, разделяющем подложку и управляющий электрод, покрыты изоляционным материалом. Наличие такой изоляции, с одной стороны, непосредственно увеличивает пробивное напряжение промежутка эмиттер - управляющий электрод в каждой ячейке и, с другой стороны, создает оболочку, уменьшающую проникновение в этот промежуток загрязняющих веществ из материалов управляющего электрода и изоляционного слоя, разделяющего подложку и управляющий электрод.Known technical solution for US patent No. 5442193, publ. 08/15/1995 [5], aimed at preventing an arc discharge between the field emitter and the control electrode in the field emission cell directly through the space separating these electrodes. The likelihood of such a breakdown increases due to non-ideal vacuum. According to this technical solution, the control electrode is completely (including the walls of the holes indicated above in the conducting layer forming this electrode), as well as the walls of the holes in the insulating layer separating the substrate and the control electrode, are coated with insulating material. The presence of such insulation, on the one hand, directly increases the breakdown voltage of the emitter - control electrode gap in each cell and, on the other hand, creates a shell that reduces the penetration of contaminants into this gap from the materials of the control electrode and the insulating layer separating the substrate and the control electrode.

Однако такой подход эффективен только при сверхмалых токах. При больших токах из-за отсутствия стока электронов на покрытый изоляционным материалом управляющий электрод этот материал заряжается попадающими на него электронами до тех пор, пока не произойдет пробой или накопленный заряд не скомпенсирует вытягивающее напряжение между эмиттером и управляющим электродом, в результате чего промежуток между ними окажется запертым.However, this approach is effective only at ultra-low currents. At high currents, due to the lack of runoff of electrons to the control electrode coated with an insulating material, this material is charged by electrons incident on it until a breakdown occurs or the accumulated charge does not compensate for the pulling voltage between the emitter and the control electrode, resulting in a gap between them locked up.

Кроме того, как показывает практика, в описанной выше конструкции источника электронов с автоэлектронными эмиттерами по патентам [1-4] возникновение пробоя обусловлено, главным образом, не той причиной, на преодоление которой направлено техническое решение по патенту [5], а ограниченной электрической прочностью поверхности межэлектродного изолятора, которой является стенка отверстия в изоляционном слое, разделяющем автоэлектронный эмиттер и управляющий электрод. При больших напряженностях электрического поля между этими электродами, необходимых для получения высокой плотности тока, имеющая место утечка по указанной поверхности, в конечном счете, приводит к электрическому пробою, что определяет актуальность задачи предотвращения такого пробоя, в особенности в источниках с эмиттерами на основе углеродных наноструктур.In addition, as practice shows, in the above-described design of an electron source with field emitters according to patents [1-4], the occurrence of breakdown is caused mainly not by the reason for overcoming which the technical solution of the patent [5] is directed, but by limited electric strength the surface of the interelectrode insulator, which is the wall of the hole in the insulating layer separating the field emitter and the control electrode. At high electric field strengths between these electrodes, which are necessary to obtain a high current density, a leak on the indicated surface ultimately leads to electrical breakdown, which determines the urgency of the task of preventing such a breakdown, especially in sources with emitters based on carbon nanostructures .

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении более высокой электрической прочности промежутков управляющий электрод - автоэлектронный эмиттер автоэмиссионных ячеек источника электронов с автоэлектронными эмиттерами за счет увеличения электрической прочности поверхности элементов конструкции, разделяющих указанные электроды.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in providing a higher dielectric strength of the gaps of the control electrode — the field emitter of field emission cells of an electron source with field emission emitters by increasing the surface strength of structural elements separating these electrodes.

Наиболее близким к предлагаемому источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами является источник электронов, известный из патента [4], в котором автоэлектронный эмиттер выполнен на основе углеродной наноструктуры, однако предлагаемое техническое решение не ограничено данным типом источников электронов.Closest to the proposed electron source with field emitters is an electron source known from the patent [4], in which the field emission emitter is based on a carbon nanostructure, however, the proposed solution is not limited to this type of electron sources.

Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему известный источник, содержит множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на общей подложке (преимущественно кремниевой) с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки. В каждой паре таких отверстий, одно из которых принадлежит изоляционному слою, а другое - проводящему слою, на подложке размещен автоэлектронный эмиттер. Каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указанным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя.The electron source with field-emitting emitters according to the invention, as well as the closest known source, contains a plurality of controllable field-emission cells formed on a common substrate (mainly silicon) with sequentially applied insulating and conductive layers in which holes are made that reach the substrate. In each pair of such holes, one of which belongs to the insulating layer and the other to the conductive layer, an autoelectronic emitter is placed on the substrate. Each controlled field emission cell is formed by the indicated field emission emitter, which is, together with the portion of the substrate occupied by it, the cathode of the field emission cell and a control electrode, which is a part of this layer adjacent to the hole in the conductive layer.

В отличие от наиболее близкого известного источника электронов по патенту [4], в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами в подложке вокруг автоэлектронного эмиттера каждой автоэмиссионной ячейки выполнено кольцеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхности. По меньшей мере, боковые поверхности этого углубления покрыты изоляционным материалом или окислены.In contrast to the closest known electron source according to the patent [4], in the proposed electron source with field-emitting emitters in the substrate around the field-emitting emitter of each field-emission cell there is a ring-shaped recess having side and bottom surfaces. At least the side surfaces of this recess are coated with insulating material or oxidized.

При описанном выполнении расстояние по поверхности указанного изоляционного материала вместе с толщиной изоляционного слоя и соответственно протяженность основного пути потенциально возможного электрического пробоя в автоэмиссионной ячейке между ее катодом и управляющим электродом увеличивается, по меньшей мере, на удвоенную величину углубления, выполняемого в подложке. Выбирая этот размер в соответствии с расчетным или предполагаемым значением напряжения между катодом и управляющим электродом, можно обеспечить надежную, свободную от электрических пробоев работу источника электронов с автоэлектронными эмиттерами.In the described embodiment, the distance along the surface of the specified insulating material together with the thickness of the insulating layer and, accordingly, the length of the main path of the potential electrical breakdown in the field emission cell between its cathode and the control electrode increases by at least double the size of the recess in the substrate. Choosing this size in accordance with the calculated or assumed value of the voltage between the cathode and the control electrode, it is possible to ensure reliable, free from electrical breakdowns, the operation of the electron source with field-emitter.

Для достижения более высокой электрической прочности иметь изоляционное покрытие или быть окисленной, наряду с боковой поверхностью указанного углубления, может и его донная поверхность.To achieve higher dielectric strength, the bottom surface may have an insulating coating or be oxidized, along with the side surface of the indicated recess.

В предпочтительном частном случае автоэлектронный эмиттер управляемых автоэмиссионных ячеек предлагаемого источника электронов выполнен на основе углеродной наноструктуры, что позволяет получить более высокие эмиссионные свойства и, в конечном счете, расширить область возможного применения предлагаемого источника.In a preferred particular case, the field-emission emitter of controlled field emission cells of the proposed electron source is based on a carbon nanostructure, which allows to obtain higher emission properties and, ultimately, expand the scope of the possible application of the proposed source.

В частном случае выполнения предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами указанный проводящий слой не имеет разделения на изолированные друг от друга части, и управляющий электрод является общим для всех автоэмиссионных ячеек. При использовании такого источника электронов соединенные параллельно автоэмиссионные ячейки управляются одновременно без применения для этого внешних соединений и создают суммарный ток.In the particular case of the implementation of the proposed electron source with field emitters, said conductive layer has no separation into parts isolated from each other, and the control electrode is common to all field emission cells. When using such an electron source, field emission cells connected in parallel are controlled simultaneously without the use of external compounds and create a total current.

В другом частном случае управляющий электрод является индивидуальным для каждой автоэмиссионной ячейки или групп таких ячеек, для чего упомянутый выше проводящий слой разделен на изолированные друг от друга части разрывами в промежутках между отверстиями в этом слое. Такое выполнение позволяет осуществлять раздельное управление токами в разных внешних цепях, например, при использовании в устройстве, содержащем предлагаемый источник электронов, анода, выполненного из нескольких разделенных частей соответственно отдельным автоэмиссионным ячейкам или группам таких ячеек.In another particular case, the control electrode is individual for each field emission cell or groups of such cells, for which the aforementioned conductive layer is divided into parts separated from each other by gaps in the gaps between the openings in this layer. This embodiment allows for separate control of currents in different external circuits, for example, when using an anode made of several separated parts, respectively, of individual field emission cells or groups of such cells in a device containing the proposed electron source.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых схематически показаны:The invention is illustrated by drawings, which schematically show:

- на фиг. 1 и фиг. 2 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управляемой автоэмиссионной ячейке) предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами;- in FIG. 1 and FIG. 2 - fragment (part related to a single controlled field emission cell) of the proposed electron source with field-emitters;

- на фиг. 3 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управляемой автоэмиссионной ячейке) наиболее близкого к предлагаемому известного источника электронов с автоэлектронными эмиттерами;- in FIG. 3 - fragment (part related to a single controlled field emission cell) closest to the proposed known source of electrons with field-emitters;

- на фиг. 4 - предлагаемый источник электронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодом в составе электронного прибора.- in FIG. 4 - the proposed electron source with field emitters along with the anode in the electronic device.

В случае, иллюстрируемом фиг. 1 и фиг. 2, в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами каждая автоэмиссионная ячейка, одна из которых показана на этих фигурах в разрезе, содержит нанесенный на кремниевую подложку 1 изоляционный слой 2 и нанесенный поверх него проводящий слой 3. В названных слоях выполнены отверстия 4 и 5, достигающие подложки 1, а на поверхности подложки в ее части 8, расположенной в пределах отверстий 4 и 5, размещен автоэлектронный эмиттер 7. В показанном на фигурах 1 и 2 случае отверстия 4 и 5 являются цилиндрическими, одинаковыми по диаметру и имеют общую осевую линию 6. Такое выполнение более технологично, но не обязательно. Отверстия 4 и 5 могут иметь и другую форму и различаться по размерам. С точки зрения возможности достижения указанного выше технического результата важно лишь, чтобы отверстия 4 и 5, выполненные в указанных проводящем 3 и изоляционном 2 слоях, были сквозными (достигали подложки 1) и имели благодаря этому общий просвет для доступа к поверхности подложки. Автоэлектронный эмиттер 7 вместе с занимаемой им частью 8 поверхности подложки 1 является катодом автоэмиссионной ячейки предлагаемого источника электронов.In the case illustrated in FIG. 1 and FIG. 2, in the proposed electron source with field emitters, each field-emission cell, one of which is shown in cross-section in these figures, contains an insulating layer 2 deposited on a silicon substrate 1 and a conductive layer 3 deposited on top of it. Holes 4 and 5 are made in these layers, reaching the substrate 1, and on the surface of the substrate in its part 8, located within the holes 4 and 5, there is a field emitter 7. In the case shown in figures 1 and 2, the holes 4 and 5 are cylindrical, identical in diameter and and eyut common axial line 6. Such a design more sophisticated, but not necessarily. Holes 4 and 5 may have a different shape and vary in size. From the point of view of the feasibility of achieving the above technical result, it is only important that the holes 4 and 5, made in the indicated conductive 3 and insulating 2 layers, are through (reach the substrate 1) and therefore have a common clearance for access to the surface of the substrate. The field-emitter 7 together with the portion 8 of the surface of the substrate 1 occupied by it is the cathode of the field-emission cell of the proposed electron source.

Вокруг автоэлектронного эмиттера 7 автоэмиссионной ячейки в подложке 1 выполнено кольцеобразное углубление 9. Боковая поверхность углубления 9 покрыта изоляционным материалом 10.1 (фиг. 1), например нитридом кремния, или окислена, т.е. покрыта изолятором 10.2 (фиг. 2) в виде окиси кремния. Такое же покрытие (12.1, фиг. 1 или 12.2, фиг. 2) может иметь и донная поверхность углубления 9.A ring-shaped recess 9 is made around the field-emission emitter 7 of the field-emission cell in the substrate 1. The lateral surface of the cavity 9 is coated with an insulating material 10.1 (Fig. 1), for example, silicon nitride, or is oxidized, i.e. covered with insulator 10.2 (Fig. 2) in the form of silicon oxide. The same coating (12.1, Fig. 1 or 12.2, Fig. 2) may have a bottom surface of the recess 9.

Управляющим электродом автоэмиссионной ячейки является примыкающая к отверстию 5 в проводящем слое 3 часть этого слоя.The control electrode of the field emission cell is a part of this layer adjacent to the hole 5 in the conductive layer 3.

В частном случае дополнительное покрытие из изоляционного материала может иметь и боковая стенка 13 отверстия 4 в изоляционном слое 2 (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано).In the particular case, an additional coating of insulating material may also have a side wall 13 of the hole 4 in the insulating layer 2 (not shown in Fig. 1 and Fig. 2).

Ячейка наиболее близкого известного источника электронов с автоэлектронными эмиттерами, имеющего традиционное выполнение, показанная в разрезе на фиг. 3, содержит обозначенные одинаково с ячейкой предлагаемого источника элементы: подложку 1, слои 2 и 3 изоляционного и проводящего материалов с коаксиальными отверстиями 4 и 5 в них, имеющими общую ось 6, и расположенный в отверстии 4 на части 8 поверхности подложки 1 автоэлектронный эмиттер 7.The cell of the closest known electron source with field emitters, having a conventional embodiment, shown in section in FIG. 3, contains the elements identified identically with the cell of the proposed source: substrate 1, layers 2 and 3 of insulating and conducting materials with coaxial holes 4 and 5 in them having a common axis 6, and an electron-emitter 7 located in the hole 4 on part 8 of the surface of the substrate 1 .

Сравнение фигур 1 и 2 с фигурой 3 показывает, что протяженность имеющей изоляционное покрытие поверхности углубления 9 вместе с толщиной изоляционного слоя 2, т.е. протяженность пути потенциального поверхностного пробоя между управляющим электродом (проводящим слоем 3) и эмиттером 7, в ячейке предлагаемого источника электронов больше, чем расстояние h по поверхности изоляционного слоя 2 в ячейке наиболее близкого известного источника электронов, по меньшей мере, на величину 2d удвоенного размера углубления 9. Благодаря этому повышается электрическая прочность промежутка катод - управляющий электрод предлагаемого источника электронов и уменьшается вероятность электрического пробоя при его работе в составе электронного прибора.A comparison of figures 1 and 2 with figure 3 shows that the length of the insulating surface of the recess 9 along with the thickness of the insulating layer 2, i.e. the path length of potential surface breakdown between the control electrode (conductive layer 3) and emitter 7 in the cell of the proposed electron source is greater than the distance h along the surface of the insulating layer 2 in the cell of the closest known electron source, at least 2d twice the size of the recess 9. Due to this, the electric strength of the cathode - control electrode gap of the proposed electron source is increased and the probability of electric breakdown during its operation is reduced part of an electronic device.

Использование предлагаемого источника электронов в одном из возможных случаев в составе электронного прибора показано на фиг. 4. На этой фигуре совокупность 100 элементов представляет собой предлагаемый источник электронов с шестнадцатью автоэмиссионными ячейками, имеющий катод 1 (общую подложку ячеек) и управляющий электрод (проводящий слой 3, отделенный от подложки 1 изоляционным слоем 2). На некотором расстоянии от управляющего электрода 3 параллельно ему размещен анод 20 электронного прибора. Источник 100 электронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодом 20 заключены в не показанный на чертеже вакуумированный корпус и имеют внешние выводы, условно показанные позицией 21. Передний ряд автоэмиссионных ячеек на фиг. 4 показан в разрезе, как и отдельная ячейка на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 можно видеть также отверстия 5 в проводящем слое 3, образующем общий управляющий электрод автоэмиссионных ячеек, автоэлектронные эмиттеры 7 и кольцеобразные углубления 9 в подложке 1 с изоляционным покрытием 10. В показанном на фиг. 4 случае изоляционное покрытие 10 поверхности углубления 9 имеет продолжение, образующее дополнительное изоляционное покрытие изоляционного слоя 2.The use of the proposed electron source in one of the possible cases as part of an electronic device is shown in FIG. 4. In this figure, the combination of 100 elements represents the proposed electron source with sixteen field emission cells having a cathode 1 (common cell substrate) and a control electrode (conductive layer 3 separated from the substrate 1 by an insulating layer 2). At a certain distance from the control electrode 3, the anode 20 of the electronic device is parallel to it. The electron source 100 with field-emitting emitters together with the anode 20 are enclosed in a vacuum housing not shown in the drawing and have external terminals conventionally shown at 21. The front row of field-emission cells in FIG. 4 is a sectional view, as is the individual cell in FIG. 1 and FIG. 2. In FIG. 4, you can also see holes 5 in the conductive layer 3, forming a common control electrode of the field emission cells, field-emitting emitters 7 and ring-shaped recesses 9 in the substrate 1 with an insulating coating 10. In shown in FIG. 4 case, the insulating coating 10 of the surface of the recess 9 has a continuation, forming an additional insulating coating of the insulating layer 2.

При наличии высокого напряжения на аноде и напряжения на управляющем электроде относительно эмиттера, являющегося катодом, достаточного для создания вблизи катода напряженности электрического поля, вызывающего автоэлектронную эмиссию, возникает анодный ток.In the presence of a high voltage at the anode and voltage at the control electrode relative to the emitter, which is the cathode, sufficient to create an electric field near the cathode that causes field emission, anode current arises.

Прибор по фиг. 4 может представлять собой, в частности, рентгеновскую трубку. В этом случае анод 20 является прострельной мишенью, изготовленной из материала с требуемым характеристическим излучением, а торец не показанного на чертеже корпуса прибора, возле которого расположен анод, должен быть рентгенопрозрачным. Описанное выше выполнение управляющего электрода с разделением его на изолированные друг от друга части позволяет осуществлять раздельное управление рентгеновским излучением, возбуждаемым в разных участках, соответствующих управляемым порознь ячейкам или группам ячеек. Это позволяет изменять места выхода излучения из прибора, что может быть использовано в некоторых приложениях, а также управлять его спектральным составом, для чего разные участки анода (прострельной мишени) должны быть выполнены из разных материалов.The device of FIG. 4 may in particular be an x-ray tube. In this case, the anode 20 is a shot target made of a material with the required characteristic radiation, and the end face of the device, not shown in the drawing, near which the anode is located, must be X-ray transparent. The implementation of the control electrode described above with its separation into parts isolated from each other allows for separate control of x-rays excited in different areas corresponding to separately controlled cells or groups of cells. This allows you to change the places where the radiation leaves the device, which can be used in some applications, as well as control its spectral composition, for which different sections of the anode (shot target) must be made of different materials.

Технология изготовления предлагаемого источника электронов, содержащего множество автоэмиссионных ячеек, аналогичного показанному на фиг. 4 источнику 100, может варьироваться в зависимости от имеющихся технологических возможностей и особенностей конкретной задачи.The manufacturing technology of the proposed electron source containing a plurality of field emission cells similar to that shown in FIG. 4 source 100, may vary depending on the available technological capabilities and features of a particular task.

В обобщенном виде технологический процесс получения имеющего предпочтительное выполнение источника электронов, содержащего автоэлектронные эмиттеры на основе углеродной нанокристаллической структуры, выглядит следующим образом.In a generalized form, the technological process for producing a preferred source of electrons containing field-emitting emitters based on a carbon nanocrystalline structure is as follows.

На рабочей полированной поверхности кремниевой подложки формируют слой термического окисла толщиной порядка 500 нм, а затем методом вакуумного напыления наносят слой Si3N4 толщиной 100÷200 нм. Для формирования управляющего электрода на образованный в результате предыдущих операций изоляционный слой напыляют слой проводящего материала, в качестве которого могут служить, например, хром, титан, ниобий или другой термостойкий металл.A thermal oxide layer about 500 nm thick is formed on the polished working surface of the silicon substrate, and then a Si 3 N 4 layer 100–200 nm thick is applied by vacuum deposition. To form a control electrode, a layer of conductive material is sprayed onto the insulating layer formed as a result of previous operations, for example, chromium, titanium, niobium, or other heat-resistant metal.

Затем с помощью контактной, проекционной или электронной литографии формируют маску из фоторезиста и методом химического или плазмохимического травления формируют сквозные цилиндрические отверстия в указанных выше изоляционном и проводящем слоях полученной на предыдущих стадиях пластины с такими слоями.Then, using a contact, projection, or electronic lithography, a mask is formed from a photoresist, and through cylindrical holes are formed by chemical or plasma-chemical etching in the aforementioned insulation and conductive layers of a plate with such layers obtained in previous stages.

Далее осуществляют еще один литографический процесс и методом плазмохимического травления вокруг предназначенных для формирования автоэлектронных эмиттеров площадок на подложке получают кольцеобразные углубления. Боковые стенки углублений или эти стенки совместно с донными частями углублений покрывают диэлектриком (например, нитридом кремния) или окисляют (в последнем случае пленка окисла тоже образует диэлектрическое покрытие).Then, another lithographic process is carried out and, by plasma-chemical etching, around the areas intended for the formation of field emitters, ring-shaped depressions are obtained on the substrate. The side walls of the recesses or these walls together with the bottom parts of the recesses are coated with a dielectric (for example, silicon nitride) or oxidized (in the latter case, the oxide film also forms a dielectric coating).

С предназначенных для формирования эмиттеров частей поверхности подложки, окруженных полученными углублениями, диэлектрическое покрытие или пленку окисла удаляют.From intended for the formation of emitters parts of the surface of the substrate, surrounded by the obtained recesses, the dielectric coating or oxide film is removed.

После этого пластину разделяют на отдельные образцы, каждый из которых является заготовкой для изготовления источника электронов и содержит массив с требуемым количеством ячеек. Сформированные описанным выше образом углубления на поверхности подложки очищают стандартными методами химической обработки и на упомянутых окруженных углублениями частях поверхности подложки плазмохимическим осаждением формируют автоэлектронные эмиттеры из нанокристаллического графита.After that, the plate is divided into separate samples, each of which is a blank for the manufacture of an electron source and contains an array with the required number of cells. The depressions formed in the manner described above on the substrate surface are cleaned by standard chemical treatment methods and on the above-mentioned parts of the substrate surface surrounded by depressions by plasma-chemical deposition autoelectronic emitters of nanocrystalline graphite are formed.

Предлагаемое устройство, изготовленное по описанной выше интегральной технологии, пригодно для использования в широком классе вакуумных электронных приборов в качестве управляемого источника электронов, а также в качестве источника электронов для ионизации потока нейтральных частиц, компенсации положительного заряда потоков положительных ионов и в других областях.The proposed device, manufactured by the above integrated technology, is suitable for use in a wide class of vacuum electronic devices as a controlled electron source, as well as an electron source for ionizing the flow of neutral particles, compensating for the positive charge of positive ion fluxes and in other fields.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №3789471, опубл. 05.02.1974.1. US patent No. 3789471, publ. 02/05/1974.

2. Патент США №5332627, опубл. 26.07.1994.2. US Patent No. 5332627, publ. 07/26/1994.

3. Европейский патент №1115135, опубл. 18.08.2004.3. European patent No. 1115135, publ. 08/18/2004.

4. Патент США №8604681, опубл. 10.12.2013.4. US Patent No. 8604681, publ. 12/10/2013.

5. Патент США №5442193, опубл. 15.08.1995.5. US patent No. 5442193, publ. 08/15/1995.

Claims (4)

1. Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами, содержащий множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки, на последней в каждом из таких отверстий размещен автоэлектронный эмиттер, причем каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указанным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и ее управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя, отличающийся тем, что в подложке вокруг автоэлектронного эмиттера каждой автоэмиссионной ячейки указанного множества выполнено кольцеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхности, при этом, по меньшей мере, боковая поверхность этого углубления покрыта изоляционным материалом или окислена.1. An electron source with field-emitting emitters, comprising a plurality of controllable field-emission cells formed on a substrate with sequentially deposited insulating and conductive layers in which openings reaching the substrate are made, a field-emitter is placed on the latter in each of these openings, each controlled field-emission the cell is formed by the indicated field-emission emitter, which is, together with the portion of the substrate occupied by it, the cathode of the field-emission cell, and its control elec a trode, which is a portion of this layer adjacent to the hole in the conductive layer, characterized in that an annular depression having a side and bottom surfaces is made in the substrate around the field emitter of each field emission cell of the indicated set, while at least the side surface of this depression is covered insulating material or oxidized. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что наряду с боковой поверхностью указанного углубления покрыта изоляционным материалом или окислена также донная поверхность этого углубления.2. A source according to claim 1, characterized in that, along with the side surface of said recess, is covered with insulating material or the bottom surface of this recess is also oxidized. 3. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный проводящий слой не имеет разрывов в промежутках между указанными выполненными в нем отверстиями и управляющий электрод является общим для всех управляемых автоэмиссионных ячеек.3. A source according to claim 1 or 2, characterized in that said conductive layer does not have gaps between said openings made therein and the control electrode is common to all controlled field emission cells. 4. Источник по п. 3, отличающийся тем, что автоэлектронный эмиттер каждой автоэмиссионной ячейки указанного множества выполнен на основе углеродной наноструктуры. 4. A source according to claim 3, characterized in that the field-emitter of each field emission cell of the indicated set is made on the basis of a carbon nanostructure.
RU2014150269/07A 2014-12-12 2014-12-12 Source of electrons with field-emission emitters RU2586628C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150269/07A RU2586628C1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Source of electrons with field-emission emitters
PCT/RU2015/000741 WO2016093735A1 (en) 2014-12-12 2015-11-05 Electron source with field effect emitters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150269/07A RU2586628C1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Source of electrons with field-emission emitters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2586628C1 true RU2586628C1 (en) 2016-06-10

Family

ID=56107792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014150269/07A RU2586628C1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Source of electrons with field-emission emitters

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2586628C1 (en)
WO (1) WO2016093735A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656150C1 (en) * 2017-02-21 2018-05-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук Field emission element and method of its manufacture
RU2678192C1 (en) * 2018-03-01 2019-01-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук Method of manufacturing of a field emission element
RU205789U1 (en) * 2020-12-18 2021-08-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" AUTO EMISSION CELL BASED ON NANOSIZED CARBON MATERIAL

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1115135B1 (en) * 2000-01-07 2004-08-18 Samsung SDI Co., Ltd. Method for fabricating triode-structure carbon nanotube field emitter array
US8604681B2 (en) * 2008-03-05 2013-12-10 Georgia Tech Research Corporation Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9058954B2 (en) * 2012-02-20 2015-06-16 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
CN103854935B (en) * 2012-12-06 2016-09-07 清华大学 Field emission cathode device and feds

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1115135B1 (en) * 2000-01-07 2004-08-18 Samsung SDI Co., Ltd. Method for fabricating triode-structure carbon nanotube field emitter array
US8604681B2 (en) * 2008-03-05 2013-12-10 Georgia Tech Research Corporation Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656150C1 (en) * 2017-02-21 2018-05-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук Field emission element and method of its manufacture
RU2678192C1 (en) * 2018-03-01 2019-01-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук Method of manufacturing of a field emission element
RU205789U1 (en) * 2020-12-18 2021-08-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" AUTO EMISSION CELL BASED ON NANOSIZED CARBON MATERIAL

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016093735A1 (en) 2016-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10522316B2 (en) X-ray source
US6224447B1 (en) Electrode structures, display devices containing the same, and methods for making the same
US8253314B2 (en) Ion source having secondary electron enhancing electrode
JPH05242794A (en) Field emission device with integrated electrostatic field lens
JP3999276B2 (en) Charge dissipation type field emission device
US9425023B2 (en) Ion generator and thermal electron emitter
CN103632911B (en) Ion source Apparatus and method for
RU2586628C1 (en) Source of electrons with field-emission emitters
US3315125A (en) High-power ion and electron sources in cascade arrangement
KR20170022852A (en) X-ray source
US20110285271A1 (en) Field emission device
US5969467A (en) Field emission cathode and cleaning method therefor
US5717275A (en) Multi-emitter electron gun of a field emission type capable of emitting electron beam with its divergence suppressed
JP3246137B2 (en) Field emission cathode and method of manufacturing field emission cathode
US8710455B2 (en) Charged-particle beam lens
US10720299B1 (en) X-ray generating tube, X-ray generating apparatus, and X-ray imaging apparatus
US4503357A (en) Cathode-ray tube
JP2010009977A (en) Electron tube
JP2010015818A (en) Electron source device and ion system
JP6635510B2 (en) Field emission device and device including field emission device
JPH08339757A (en) Method of designing and manufacturing optimal gate control for side face field emission device
JP2002520770A (en) Field emission element
US8246413B2 (en) Method for making field emission device
EP1054430A1 (en) M-type microwave device
KR20030084640A (en) Oxide cathode for an electron gun, having a denser and thinner emissive zone

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner