專(zhuān)利名稱(chēng)：電子發(fā)射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有在形成發(fā)射極的物質(zhì)上形成的第一電極以及第二電極的電子發(fā)射元件。
背景技術(shù)：
目前，電子發(fā)射元件具有陰極電極以及陽(yáng)極電極，正應(yīng)用于場(chǎng)致發(fā)射顯示器(Field Emission Display(FED))或背光燈(backlight)那樣的各種各樣的應(yīng)用。在用于FED時(shí)，二維地排列多個(gè)電子發(fā)射元件，并且留有規(guī)定間隔地排列與這些電子發(fā)射元件相對(duì)的多個(gè)熒光體。
作為該電子發(fā)射元件現(xiàn)有的例子，例如具有專(zhuān)利文獻(xiàn)1～5，但他們存在以下的問(wèn)題因?yàn)槿紱](méi)有對(duì)形成發(fā)射極的物質(zhì)使用電介質(zhì)，所以在相對(duì)的電極間需要成形加工或微加工，為了電子發(fā)射必須施加高電壓，而且面板制作工藝復(fù)雜制造成本高。
因此，考慮由電介質(zhì)來(lái)構(gòu)成形成發(fā)射極的物質(zhì)，關(guān)于來(lái)自電介質(zhì)的電子發(fā)射，在以下的非專(zhuān)利文獻(xiàn)1～3中進(jìn)行了敘述。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1特開(kāi)平1-311533號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2特開(kāi)平7-147131號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3特開(kāi)2000-285801號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)4特公昭46-20944號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)5特公昭44-26125號(hào)公報(bào)非專(zhuān)利文獻(xiàn)1安岡、石井著《強(qiáng)誘電體陰極を用いたパルス電子源》應(yīng)用物理第68卷第5號(hào)、p546～550(1999)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2V.F.Puchkarev，G.A.Mesyats，On the mechanism of emission fromthe ferroelectric ceramic cathode，J.Appl.Phys.，vol.78，No.9，1November，1995，p.5633-5637非專(zhuān)利文獻(xiàn)3H.Riege，Electron emission ferroelectric-areview，Nucl.Instr.and Meth.A340，p.80-89(1994)但是，如圖39所示，在現(xiàn)有的電子發(fā)射元件200中，在形成發(fā)射極的物質(zhì)(發(fā)射極部)202形成上部電極204以及下部電極206時(shí)，特別地，在射極部202的上部緊密結(jié)合地形成上部電極204。電場(chǎng)集中點(diǎn)雖然是上部電極204/發(fā)射極部202/真空的3重點(diǎn)，但此時(shí)，上部電極204的邊緣部分與此相當(dāng)。
但是，由于上部電極204的邊緣部分緊密結(jié)合在發(fā)射極部202上，所以存在電場(chǎng)集中程度小，發(fā)射電子所需的能量小的問(wèn)題。此外，由于電子發(fā)射部位限于上部電極204的邊緣部分，所以存在整體的電子發(fā)射特性產(chǎn)生波動(dòng)，電子發(fā)射控制困難，同時(shí)電子發(fā)射效率低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮這樣的課題而發(fā)明的，其目的在于提供一種電子發(fā)射元件，其可以容易地產(chǎn)生高的電場(chǎng)集中，而且可以使電子發(fā)射部位成為多個(gè)，對(duì)于電子發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率，并且可以由低電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
此外，本發(fā)明的其他目的在于提供一種電子發(fā)射元件，其可以容易地應(yīng)用于具有對(duì)應(yīng)多個(gè)象素而排列的多個(gè)電子發(fā)射元件的，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器。
本發(fā)明的電子發(fā)射元件的特征為具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)和施加用于進(jìn)行電子發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓的第一電極以及第二電極，所述第一電極在所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的第一面上形成，所述第二電極在所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的第二面上形成，至少所述第一電極具有露出所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的多個(gè)貫通部，在所述第一電極中，所述貫通部周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面可以和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)分離開(kāi)。
首先，在第一電極和第二電極之間施加驅(qū)動(dòng)電壓。該驅(qū)動(dòng)電壓例如被定義為像脈沖電壓或交流電壓那樣，隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)，從比基準(zhǔn)電壓(例如0V)高或低的電壓電平急劇地變化為比基準(zhǔn)電壓低或高的電壓電平的電壓。
此外，在形成發(fā)射極的物質(zhì)的第一面、第一電極以及該電子發(fā)射元件周?chē)慕橘|(zhì)(例如真空)的接觸部位形成有三元接合點(diǎn)。這里，所謂的三元接合點(diǎn)被定義為由第一電極、形成發(fā)射極的物質(zhì)以及真空的接觸形成的電場(chǎng)集中部。此外，在所述三元接合點(diǎn)中還包含第一電極、形成發(fā)射極的物質(zhì)以及真空作為1個(gè)點(diǎn)存在的3重點(diǎn)。在本發(fā)明中，三元接合點(diǎn)在多個(gè)貫通部的周部或第一電極的邊緣部形成。因此，當(dāng)在第一電極和第二電極之間施加上述的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在上述三元接合點(diǎn)發(fā)生電場(chǎng)集中。
而且，在將比基準(zhǔn)電壓高或低的電壓電平的輸出期間設(shè)為第一輸出期間；將比基準(zhǔn)電壓低或高的電壓電平的輸出期間設(shè)為第二輸出期間時(shí)，首先，在第一輸出期間，在上述三元接合點(diǎn)產(chǎn)生向一個(gè)方向的電場(chǎng)集中，例如在形成發(fā)射極的物質(zhì)中，在與第一電極的貫通部對(duì)應(yīng)的部分或第一電極邊緣部附近的部分積蓄電子。此時(shí)，第一電極作為電子供給源產(chǎn)生作用。
在下面的第二輸出期間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的電壓電平急劇減小時(shí)，這次，在上述三元接合點(diǎn)產(chǎn)生向相反方向的電場(chǎng)集中，在形成發(fā)射極的物質(zhì)中從積蓄了所述電子的部分經(jīng)由貫通部進(jìn)行發(fā)射。當(dāng)然，也從第一電極外周部的附近進(jìn)行電子發(fā)射。
此外，在其他的電子發(fā)射方式中，首先在第一輸出期間進(jìn)行用于電子發(fā)射的準(zhǔn)備(例如形成發(fā)射極的物質(zhì)向一方向的極化等)。在下面的第二輸出期間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的電壓電平急劇減小時(shí)，這次，在上述三元接合點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)集中，通過(guò)該電場(chǎng)集中從第一電極發(fā)射電子，與形成發(fā)射極的物質(zhì)中的從貫通部露出的部分以及第一電極的外周部附近碰撞。由此，從1次電子所碰撞的部分發(fā)射2次電子(包含1次電子的反射電子)。即，在第二輸出期間的初期階段，從所述貫通部以及第一電極的外周部附近發(fā)射2次電子。
而且，在該電子發(fā)射元件中，首先由于在第一電極中形成了多個(gè)貫通部，所以從各個(gè)貫通部以及第一電極外周部的附近均等地進(jìn)行電子發(fā)射，整體電子發(fā)射特性的波動(dòng)降低，電子發(fā)射控制變得容易，同時(shí)電子發(fā)射效率提高。
此外，本發(fā)明是在所述第一電極中，在所述貫通部周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)之間形成了間隙的形狀，所以在施加了驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，容易在該間隙部發(fā)生電場(chǎng)集中。這在伴隨電子發(fā)射高效化的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化(低電壓電平的電子發(fā)射)。
如上所述，本發(fā)明是在所述第一電極中，在所述貫通部周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)之間形成間隙，第一電極的貫通部的周部為屋檐狀(凸緣狀)，因此也和間隙部的電場(chǎng)集中變大相互作用，容易從所述屋檐狀的部分進(jìn)行電子發(fā)射。這在伴隨電子發(fā)射的高輸出、高效化的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化。此外，無(wú)論采用發(fā)射在形成發(fā)射極的物質(zhì)上所積蓄的電子的方式或使來(lái)自第一電極的1次電子與形成發(fā)射極的物質(zhì)碰撞發(fā)射2次電子的方式的哪一種，因?yàn)榈谝浑姌O的貫通部的周部作為門(mén)電極(控制電極、電子聚焦透鏡)發(fā)揮作用，所以可以提高電子發(fā)射的直線傳播性。例如，在排列多個(gè)電子發(fā)射元件，例如作為顯示器的電子源構(gòu)成電子發(fā)射元件的情況下，利于降低交調(diào)失真。
由此，在本發(fā)明中，可以容易地產(chǎn)生高的電場(chǎng)集中，而且可以將電子發(fā)射部位設(shè)為多個(gè)，對(duì)于電子發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率，還可以進(jìn)行低電壓驅(qū)動(dòng)(降低消耗的功率)。
此外，在所述結(jié)構(gòu)中，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的至少所述第一面形成電介質(zhì)晶界的凸凹，所述第一電極可以在與所述電介質(zhì)的晶界的凹部對(duì)應(yīng)的部分形成所述貫通部。
由此，可以容易地實(shí)現(xiàn)在所述第一電極中，所述貫通部的周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面與所述發(fā)射極部分離開(kāi)的結(jié)構(gòu)，即，在所述貫通部的周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)之間形成了間隙的結(jié)構(gòu)。
此外，在所述結(jié)構(gòu)中，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的所述第一面和所述第一電極中的，所述貫通部的周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面所成的角的最大角度θ優(yōu)選為1°≤θ≤60°。此外，在所述結(jié)構(gòu)中，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的所述第一面和所述第一電極中的，所述貫通部的周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面之間的沿垂直方向的最大間隔d優(yōu)選為0μm≤d≤10μm。所以通過(guò)這些結(jié)構(gòu)，可以使在間隙部分的電場(chǎng)集中度更大，可以高效地實(shí)現(xiàn)電子射出的高輸出、高效率，以及驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化。
此外，在所述結(jié)構(gòu)中，可以在形成發(fā)射極的物質(zhì)的所述第一面中，與所述貫通部對(duì)應(yīng)的部分存在有浮置電極50。此時(shí)，由于浮置電極也成為電子提供源，所以在電子的發(fā)射階段(上述第二輸出期間)可以通過(guò)貫通部向外部發(fā)射多個(gè)電子。
此外，在所述結(jié)構(gòu)中，所述設(shè)貫通部可以為孔。在形成發(fā)射極的物質(zhì)中，與在第一電極和第二電極之間施加的驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)應(yīng)地極化發(fā)生反轉(zhuǎn)或變化的部分是形成了第一電極的正下方的部分(第一部分)，和與從貫通部的內(nèi)周朝向貫通部的內(nèi)方向的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的部分(第二部分)，特別地，第二部分隨著驅(qū)動(dòng)電壓的電平或電場(chǎng)集中度進(jìn)行變化。因此，在本發(fā)明中，所述孔的平均直徑優(yōu)選為大于等于0.1μm小于等于10μm。如果在該范圍內(nèi)，通過(guò)貫通部發(fā)射的電子的反射分布中幾乎沒(méi)有波動(dòng)，可以高效地發(fā)射電子。
此外，在孔的平均直徑不足0.1μm時(shí)，積蓄電子的區(qū)域變窄，發(fā)射的電子的量減少。當(dāng)然，可以考慮設(shè)置多個(gè)孔，但也存在隨著困難的增大制造成本升高的擔(dān)憂。當(dāng)孔的平均直徑超過(guò)10μm時(shí)，從形成發(fā)射極的物質(zhì)的所述貫通部露出的部分中，用于電子發(fā)射的部分(第二部分)的比例(占有率)變小，電子的發(fā)射效率降低。
此外，在所述結(jié)構(gòu)中，所述貫通部可以是缺口，也可以是梳齒狀的缺口。此時(shí)，所述縫隙的平均寬度優(yōu)選為大于等于0.1μm小于等于10μm。
此外，本發(fā)明的電子發(fā)射元件的特征為具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)；與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的第一面相接合形成的第一電極；與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的第二面相接合形成的第二電極，至少所述第一電極具有露出所述形成發(fā)射極的物質(zhì)的多個(gè)貫通部，在電氣動(dòng)作中，在所述第一電極和所述第二電極之間形成由所述形成發(fā)射極的物質(zhì)形成的電容器，和由在所述第一電極形成的所述多個(gè)貫通部在所述第一電極和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)之間構(gòu)成的多個(gè)電容器的集合體。
即，在所述貫通部周部的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)相對(duì)的表面和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)之間形成間隙，形成由這些多個(gè)間隙構(gòu)成的電容器的集合體。此時(shí)，間隙構(gòu)成的電容器的容量值相對(duì)小，從與形成發(fā)射極的物質(zhì)所構(gòu)成的電容器的分壓，施加電壓幾乎全部被施加在間隙，在各個(gè)間隙實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射的高輸出化。此外，這些電容器的集合體與形成發(fā)射極的物質(zhì)所構(gòu)成的電容器串聯(lián)連接。因此，可以得到電子發(fā)射為高輸出，全體耗電量減小的理想的特性。
此外，本發(fā)明的電子發(fā)射元件的特征為在具有電子發(fā)射部的電子發(fā)射元件中，通過(guò)施加負(fù)電壓，隨著電子的積蓄變化為正電荷的量和負(fù)電荷的量平衡的狀態(tài)(第一狀態(tài))，隨著進(jìn)一步的電子的積蓄，變化為負(fù)電荷的量多于正電荷的量的狀態(tài)(第二狀態(tài))，從所述第二狀態(tài)開(kāi)始，通過(guò)施加正電壓，隨著電子的發(fā)射變化為正電荷的量和負(fù)電荷的量平衡的狀態(tài)(第三狀態(tài))，隨著進(jìn)一步的電子的發(fā)射，在變化為正電荷的量多于負(fù)電荷的量的狀態(tài)的情況下，在將用于變化為所述第一狀態(tài)的施加電壓設(shè)為V1，將用于變化為所述第三狀態(tài)的施加電壓設(shè)為V2時(shí)，|V1|＜|V2|。此時(shí)，也可以為1.5×|V1|＜|V2|。
由此，可以容易地適用于具有與多個(gè)象素對(duì)應(yīng)排列的多個(gè)電子發(fā)射元件，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器。
例如，在將1個(gè)圖像的顯示期間設(shè)為1幀時(shí)，在該1幀內(nèi)的某個(gè)期間，掃描全部的所述電子發(fā)射元件，對(duì)與發(fā)光對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件施加積蓄電壓，該積蓄電壓是與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度相應(yīng)的積蓄電壓，由此使與所述發(fā)光對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的所述多個(gè)電子發(fā)射元件積蓄電荷，該電荷的量是與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度相應(yīng)的量，在下面的期間，對(duì)全部的電子發(fā)射元件施加一定的電子發(fā)射電壓，從與所述發(fā)光對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的所述多個(gè)電子發(fā)射元件發(fā)射電子，該電子的量是與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度相應(yīng)的量，使所述發(fā)光對(duì)象的象素發(fā)光。
而且，在該發(fā)明中，在將第一狀態(tài)的正電荷的量和負(fù)電荷的量的變化比例設(shè)為ΔQ1/ΔV1，將第三狀態(tài)的正電荷的量和負(fù)電荷的量的變化比例設(shè)為ΔQ2/ΔV2時(shí)，可以為(ΔQ1/ΔV1)＞(ΔQ2/ΔV2)。根據(jù)此關(guān)系，在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為V3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為V4時(shí)，可以得到1≤|V4|/|V3|≤1.5的特性。
通常，例如將電子發(fā)射元件排列成矩陣狀，與水平掃描期間同步地以1行為單位選擇電子發(fā)射元件，在對(duì)處于選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件分別提供與象素的亮度相應(yīng)的象素信號(hào)時(shí)，也對(duì)處于非選擇狀態(tài)的象素提供所述象素信號(hào)。
這存在以下的問(wèn)題非選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件受到所述象素信號(hào)的影響，例如當(dāng)進(jìn)行了電子發(fā)射時(shí)，引起顯示圖像的畫(huà)質(zhì)惡化、對(duì)比度下降。
但是，在本發(fā)明中，由于具有上述的特性，所以即使是以下簡(jiǎn)單的電壓關(guān)系進(jìn)行設(shè)定把提供給選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件的象素信號(hào)的電壓電平設(shè)為從基準(zhǔn)電壓到電壓V3的任意的電壓，對(duì)于非選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件，例如提供象素信號(hào)的相反極性的信號(hào)，非選擇狀態(tài)的象素也不會(huì)因?yàn)橄蜻x擇狀態(tài)的象素的象素信號(hào)而受到影響，可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)象素的存儲(chǔ)器效果，可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高對(duì)比度化。
此外，本發(fā)明的電子發(fā)射元件的特征為在具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)和施加用于電子發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓的第一電極和第二電極的電子發(fā)射元件中，在把通過(guò)在所述第一電極和所述第二電極之間施加向一方向的電壓，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)從向一方向極化的狀態(tài)變化為極化反轉(zhuǎn)后的狀態(tài)的電壓設(shè)為第一抗電壓v1；并且把從該狀態(tài)，通過(guò)施加向另一方向的電壓，極化再次變化為所述一方向的電壓設(shè)為第二抗電壓v2時(shí)，具有v1＜0或v2＜0，|v1|＜|v2|的特性。此時(shí)，也可以為1.5×|v1|＜|v2|。
此外，在將施加了所述第一抗電壓時(shí)的極化的變化比例設(shè)為Δq1/Δv1，將施加了所述第二抗電壓時(shí)的極化的變化比例設(shè)為Δq2/Δv2時(shí)，可以為(Δq1/Δv1)＞(Δq2/Δv2)。根據(jù)此關(guān)系，在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為v3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為v4時(shí)，可以得到1≤|v4|/|v3|≤1.5的特性。
因此，即使在該發(fā)明中，也可以容易地應(yīng)用于具有對(duì)應(yīng)多個(gè)象素而排列的多個(gè)電子發(fā)射元件的，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器。
而且，非選擇狀態(tài)的象素不會(huì)因?yàn)橄蜻x擇狀態(tài)的象素的信號(hào)而受到影響，可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)象素的存儲(chǔ)器效果，可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高對(duì)比度化。
如上述說(shuō)明的那樣，通過(guò)本發(fā)明的電子發(fā)射元件，可以容易地產(chǎn)生高的電場(chǎng)集中，而且可以將電子發(fā)射部位設(shè)為多個(gè)，對(duì)于電子發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率，并可以進(jìn)行低電壓驅(qū)動(dòng)(降低消耗功率)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射元件，可以容易地應(yīng)用于具有對(duì)應(yīng)多個(gè)象素而排列的多個(gè)電子發(fā)射元件的，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器。


圖1是部分省略地表示第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的剖面圖。
圖2是對(duì)第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的主要部分進(jìn)行放大顯示的剖面圖。
圖3是表示在上部電極所形成的貫通部的形狀的一個(gè)例子的平面圖。
圖4表示通過(guò)第一電子發(fā)射方式的驅(qū)動(dòng)電壓的電壓波形。
圖5是表示第一電子發(fā)射方式的第二輸出期間的電子發(fā)射樣態(tài)的說(shuō)明圖。
圖6表示通過(guò)第二電子發(fā)射方式的驅(qū)動(dòng)電壓的電壓波形。
圖7是表示第二電子發(fā)射方式的第二輸出期間的電子發(fā)射樣態(tài)的說(shuō)明圖。
圖8表示上部電極屋檐狀部的剖面形狀的一例。
圖9表示上部電極屋檐狀部的剖面形狀的其他一個(gè)例子。
圖10表示上部電極屋檐狀部的剖面形狀的另外一個(gè)例子。
圖11是表示在上部電極和下部電極之間相連接的各種電容器的連接狀態(tài)的等價(jià)電路圖。
圖12用于說(shuō)明在上部電極和下部電極之間相連接的各種電容器的容量的計(jì)算。
圖13是部分省略地表示第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第一變形例的平面圖。
圖14是部分省略地表示第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第二變形例的平面圖。
圖15是部分省略地表示第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第三變形例的平面圖。
圖16表示第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的電壓-電荷量特性(電壓一極化量特性)。
圖17A是表示圖16的點(diǎn)p1的狀態(tài)的說(shuō)明圖，圖17B是表示圖16的點(diǎn)p2的狀態(tài)的說(shuō)明圖，圖17C是表示從圖16的點(diǎn)p2至點(diǎn)p3的狀態(tài)的說(shuō)明圖。
圖18A是表示從圖16的點(diǎn)p3至點(diǎn)p4的狀態(tài)的說(shuō)明圖，圖18B是表示即將到達(dá)圖16的點(diǎn)p4的狀態(tài)的說(shuō)明圖，圖18C是表示從圖16的點(diǎn)p4至點(diǎn)p6的狀態(tài)的說(shuō)明圖。
圖19是表示使用第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件構(gòu)成的顯示器的顯示部和驅(qū)動(dòng)電路的方框圖。
圖20A～圖20C是表示通過(guò)振幅調(diào)制電路的脈沖信號(hào)的振幅調(diào)制的波形圖。
圖21是表示變形列的信號(hào)提供電路的方框圖。
圖22A～圖22C是表示通過(guò)脈沖寬度調(diào)制電路的脈沖信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制的波形圖。
圖23A表示施加了圖20A或圖22A中的電壓Vsl時(shí)的磁滯曲線，圖23B表示施加了圖20B或圖22B中的電壓Vsm時(shí)的磁滯曲線，圖23C表示施加了圖20C或圖22C中的電壓Vsh時(shí)的磁滯曲線。
圖24是表示向上部電極上部的集電極、熒光體以及透明板的一個(gè)配置例的結(jié)構(gòu)圖。
圖25是表示向上部電極上部的集電極、熒光體以及透明板的另一配置例的結(jié)構(gòu)圖。
圖26A表示在第一試驗(yàn)例(觀察電子發(fā)射元件的電子發(fā)射狀態(tài)的試驗(yàn))中使用的寫(xiě)入脈沖和點(diǎn)燈脈沖的波形，圖26B是在第一試驗(yàn)例中，由受光元件的檢測(cè)電壓波形表示來(lái)自電子發(fā)射元件的電子發(fā)射狀態(tài)的圖。
圖27表示在第二～第四試驗(yàn)例中使用的寫(xiě)入脈沖和點(diǎn)燈脈沖的波形。
圖28是表示第二試驗(yàn)例(觀察電子發(fā)射元件的電子發(fā)射量根據(jù)寫(xiě)入脈沖的振幅如何進(jìn)行變化的試驗(yàn))的結(jié)果的特性圖。
圖29是表示第三試驗(yàn)例(觀察電子發(fā)射元件的電子發(fā)射量根據(jù)點(diǎn)燈脈沖的振幅如何進(jìn)行變化的試驗(yàn))的結(jié)果的特性圖。
圖30是表示第四試驗(yàn)例(觀察電子發(fā)射元件的電子發(fā)射量根據(jù)集電極電壓的電平如何進(jìn)行變化的試驗(yàn))的結(jié)果的特性圖。
圖31是表示顯示器的驅(qū)動(dòng)方法的一個(gè)例子的時(shí)序圖。
圖32是表示圖31所示的驅(qū)動(dòng)方法的施加電壓關(guān)系的圖表。
圖33是部分省略地表示第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的剖面圖。
圖34是部分省略地表示第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第一變形例的剖面圖。
圖35是部分省略地表示第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第二變形例的剖面圖。
圖36是部分省略地表示第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第三變形例的剖面圖。
圖37是部分省略地表示第三實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的剖面圖。
圖38是部分省略地表示第三實(shí)施方式的電子發(fā)射元件的第一變形例的剖面圖。
圖39是部分省略地表示現(xiàn)有例的電子發(fā)射元件的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照?qǐng)D1～圖38對(duì)本發(fā)明的電子發(fā)射元件的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
首先，本實(shí)施方式的電子發(fā)射元件除了作為顯示器的用途之外，還可以用于電子束照射裝置、光源、代替LED、電子部件制造裝置、電路部件。
電子束照射裝置的電子束與目前普及的紫外線照射裝置的紫外線相比，在高能方面吸收性?xún)?yōu)異。作為應(yīng)用的例子，在半導(dǎo)體裝置中，具有固化重疊晶片時(shí)的絕緣膜的作用；在印刷干燥中，沒(méi)有斑點(diǎn)地硬化印刷墨水的作用、在原樣地將醫(yī)療器械放入包裝的狀態(tài)下進(jìn)行殺菌的作用。
作為光源的用途，適于高亮度、高效率，例如具有使用超高壓水銀燈等裝置的投影器的光源的用途等。在將本實(shí)施方式的電子發(fā)射裝置用于光源的情況下，具有小型化、長(zhǎng)壽命、高速點(diǎn)燈、降低由于水銀的釋放造成的環(huán)境負(fù)擔(dān)的特征。
作為代替LED的用途，具有屋內(nèi)照明、汽車(chē)車(chē)燈、信號(hào)機(jī)等面光源用途，芯片光源、信號(hào)機(jī)、面向移動(dòng)電話的小型液晶顯示器的背光燈等。
作為電子部件制造裝置的用途，具有電子束蒸鍍裝置燈成膜裝置的電子束源、等離子體CVD裝置的等離子體生成用(用于氣體等的活性化)電子源、用于氣體分解的電子源等。此外，還具有稱(chēng)為萬(wàn)億(テラ)Hz驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)元件、大電流輸出元件的真空微型裝置的用途。此外，還優(yōu)選作為打印機(jī)的部件、即通過(guò)與熒光體的組合使感光鼓感光的發(fā)光裝置、用于使電介質(zhì)帶電的電子源使用。
作為電路部件，因?yàn)榭梢源箅娏鬏敵龌?、高放大率化，所以具有面向開(kāi)關(guān)、繼電器、二極管等數(shù)字元件、運(yùn)算放大器等模擬元件的用途。
首先，如圖1所示，第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A具有由電介質(zhì)構(gòu)成的板狀發(fā)射極部(形成發(fā)射極的物質(zhì))12、在該發(fā)射極部12的第一表面上(例如上表面)形成的第一電極(例如上部電極)14、在發(fā)射極部12的第二面上(例如下表面)形成的第二電極(例如下部電極)16、在上部電極14和下部電極16之間施加驅(qū)動(dòng)電壓Va的脈沖發(fā)生源18。
上部電極14具有露出發(fā)射極部12的多個(gè)貫通部20。特別是發(fā)射極部12的表面形成了電介質(zhì)的晶界(grain boundary)的凸凹22，上部電極14的貫通部20在與所述電介質(zhì)的晶界的凸凹部24相對(duì)應(yīng)的部分上形成。在圖1的例子中，表示了與一個(gè)凹部24相對(duì)應(yīng)地形成一個(gè)貫通部20的情況，但也存在與多個(gè)凹部24相對(duì)應(yīng)地形成一個(gè)貫通部20的情況。構(gòu)成發(fā)射極部12的電介質(zhì)的晶粒直徑優(yōu)選為0.1μm～10μm，更好的為2μm～7μm。在圖1的例子中設(shè)電介質(zhì)的晶粒直徑為3μm。
而且，在該第一實(shí)施方式中，如圖2所示，在上部電極14中，貫通部20周部26的與發(fā)射極部12相對(duì)的表面26a與發(fā)射極部12分離開(kāi)。即，在上部電極14中，在貫通部20周部26的與發(fā)射極部12相對(duì)的表面26a和發(fā)射極部12之間形成間隙28，上部電極14的貫通部20的周部26形成屋檐狀(凸緣狀)。因此，在以下的說(shuō)明中，將“上部電極14的貫通部20的周部26”記作“上部電極14的屋檐狀部26”。此外，在圖1、圖2、圖5、圖7、圖8～圖10、圖15的例子中，以半圓狀代表地表示電介質(zhì)的晶界的凸凹22的凸部30的剖面，單并不限于該形狀。
此外，在該第一實(shí)施方式中，將上部電極14的厚度設(shè)為0.01μm≤t≤10μm，將發(fā)射極部12的上表面，即電介質(zhì)的晶界的凸部30的表面(也是凹部24的內(nèi)壁面)和上部電極14的屋檐狀部26的下表面26a所成的角的最大角度θ設(shè)為1°≤θ≤60°。此外，設(shè)發(fā)射極部12的電介質(zhì)的晶界的凸部30的表面(凹部24的內(nèi)壁面)和上部電極14的屋檐狀部26的下表面26a之間的沿垂直方向的最大間隔d設(shè)為0μm≤d≤10μm。
而且，在該第一實(shí)施方式中，如圖3所示，特別是貫通部20的形狀為從上面看的形狀為孔32的形狀，例如像圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形那樣為包含曲線部分的形狀，或像四邊形或三角形那樣為多邊形的形狀。在圖3的例子中，作為孔32的形狀表示了圓形的情況。
此時(shí)，孔32的平均直徑設(shè)為大于等于0.1μm小于等于10μm。該平均直徑表示通過(guò)孔32中心的，各自不同的多個(gè)線段的長(zhǎng)度的平均值這里，對(duì)各個(gè)構(gòu)成部件的材料等進(jìn)行說(shuō)明。構(gòu)成發(fā)射極部12的電介質(zhì)可以恰當(dāng)?shù)夭捎媒殡姵?shù)比較高，例如大于等于1000的電介質(zhì)。作為這樣的電介質(zhì)，可以列舉出除了鈦酸鋇之外還包含鋯酸鉛、鎂鈮酸鉛、鎳鈮酸鉛、鋅鈮酸鉛、錳鈮酸鉛、鎂鉭酸鉛、鎳鉭酸鉛、銻錫酸鉛、鈦酸鉛、鎂鎢酸鉛、鈷鈮酸鉛等，或者包含這些化合物的任意組合的陶瓷；主要成分為包含這些化合物的重量大于等于50％的陶瓷；對(duì)于上述的陶瓷，進(jìn)一步添加了鑭、鈣、鍶、鉬、鎢、鋇、鈮、鋅、鎳、錳等的氧化物、或者這些氧化物的任意組合、或者適當(dāng)?shù)靥砑恿似渌衔锏奶沾傻取?br> 例如，在鎂鈮酸鉛(PMN)和鈦酸鉛(PT)的二元系nPMN-mPT(設(shè)n、m摩爾數(shù)比)中，當(dāng)增大PMN的摩爾數(shù)比時(shí)，可以降低居里點(diǎn)，提高室溫下的介電常數(shù)。
特別在n＝0.85～1.0、m＝1.0-n，優(yōu)選介電常數(shù)大于等于3000。例如，在n＝0.91、m＝0.09下得到室溫的介電常數(shù)15000，在n＝0.95、m＝0.05下得到室溫的介電常數(shù)20000。
然后，在鈮鎂酸鉛(PMN)、鈦酸鉛(PT)和鋯酸鉛(PZ)的三元系中，除了增大PMN的摩爾數(shù)比以外，通過(guò)形成正方晶格和類(lèi)立方晶格或正方晶格和菱形晶格的準(zhǔn)同型相界(MPBmorphotropic phase boundary)附近的組成來(lái)增大介電常數(shù)也是較好的。例如，在PMN∶PT∶PZ＝0.375∶0.375∶0.25下，介電常數(shù)為5500，在PMN∶PT∶PZ＝0.5∶0.375∶0.125下，介電常數(shù)為4500，十分理想。而且，在可以確保絕緣性的范圍內(nèi)，優(yōu)選在這些電介質(zhì)中混入像鉑那樣的金屬，提高介電常數(shù)。此時(shí)，例如可以在電介質(zhì)中混入重量比為20％的鉑。
此外，如上所述，發(fā)射極部12可以使用壓電/電致伸縮層或反強(qiáng)電介質(zhì)層，但在作為發(fā)射極部12使用壓電/電致伸縮層(電歪 )的情況下，作為壓電/電致伸縮層，例如可以列舉出包含鋯酸鉛、鎂鈮酸鉛、鎳鈮酸鉛、鋅鈮酸鉛、錳鈮酸鉛、鎂鉭酸鉛、鎳鉭酸鉛、銻錫酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鎂鎢酸鉛、鈷鈮酸鉛等，或包含這些化合物的任意組合的陶瓷。
當(dāng)然可以是主要成分為包含這些化合物的重量大于等于50％的材料。此外，在所述陶瓷中，包含鋯酸鉛的陶瓷作為構(gòu)成發(fā)射極部12的壓電/電致伸縮層的構(gòu)成材料，其使用頻度最高。
此外，在由陶瓷構(gòu)成壓電/電致伸縮層的情況下，還可以使用在所述陶瓷中進(jìn)一步添加了鑭、鈣、鍶、鉬、鎢、鋇、鈮、鋅、鎳、錳等的氧化物、或這些氧化物的任意組合、或者適當(dāng)?shù)靥砑恿似渌衔锏奶沾伞４送?，還可以使用在所述陶瓷中添加了SiO2、CeO2、Pb5Ge3O11或者添加了這些化合物的任意組合的陶瓷。具體地說(shuō)，優(yōu)選為在PT-PZ-PMN類(lèi)壓電材料中添加了0.2％wt的SiO2，或者添加了0.1％wt的CeO2，或者添加了1～2％wt的Pb5Ge3O11的材料。
例如，優(yōu)選以鈮鎂酸鉛、鋯酸鉛以及鈦酸鉛構(gòu)成的成分為主要成分，而且使用含有鑭或鍶的陶瓷。
壓電/電致伸縮層既可以致密也可以多孔，在為多孔時(shí)，其氣孔率優(yōu)選為小于等于40％。
在作為發(fā)射極部12使用反強(qiáng)電介質(zhì)層的情況下，作為該反強(qiáng)電介質(zhì)層，希望為以鋯酸鉛為主要成分的陶瓷；以鋯酸鉛和錫酸鉛形成的成分為主要成分的陶瓷；進(jìn)一步在鋯酸鉛中添加了氧化鑭的陶瓷；對(duì)于鋯酸鉛和錫酸鉛形成的成分添加了鋯酸鉛或鈮酸鉛的陶瓷。
此外，該反強(qiáng)電介質(zhì)層既可以致密也可以多孔，在為多孔時(shí)，希望其氣孔率為小于等于30％。
而且，在發(fā)射極部12中使用了鈦酸鋇鍶(SrBi2Ta2O9)時(shí)，優(yōu)選極化反轉(zhuǎn)疲勞小。這樣的極化反轉(zhuǎn)疲勞小的材料在反強(qiáng)電介質(zhì)層中使用(BiO2)2+(Am-1BmO3m+1)2-的一般公式表示。這里，金屬A的離子為Ca2+、Sr2+、Ba2+、Pb2+、Bi3+、La3+等，金屬B的離子為T(mén)i4+、Ta5+、Nb5+等。
此外，例如通過(guò)在壓電/電致伸縮/反強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷中混入鉛硼硅酸玻璃等玻璃成分、或其他低熔點(diǎn)的化合物(例如氧化鉍等)，可以降低燒結(jié)溫度。
此外，在由壓電/電致伸縮/反強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷構(gòu)成的情況下，其形狀可以是薄板狀的燒結(jié)體、薄板狀的積層體，或者可以將這些積層或粘接在其他的支撐用基板上。
此外，通過(guò)在發(fā)射極部12中使用非鉛類(lèi)的材料，并且通過(guò)采用使發(fā)射極部12的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)提高的材料，難以對(duì)電子或離子的撞擊造成損傷。
上部電極14使用燒結(jié)后得到薄膜的有機(jī)金屬膏。例如優(yōu)選使用鉑金屬化合物膏(レジネ一トペ一スト)等材料。此外，抑制極化反轉(zhuǎn)疲勞的氧化物電極，例如優(yōu)選使用氧化釕(RuO2)、氧化銥(IrO2)、釕酸化鍶(SrRuO3)、Lal-xSrxCoO3(例如x＝0.3或0.5)、Lal-xCaxMnO3(例如x＝0.2)、Lal-xCaxMnl-yCoyO3(例如x＝0.2，y＝0.05)，或者使用例如將這些化合物混入鉑金屬化合物膏的材料。
可以使用上述材料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷法、噴射法、涂覆法、浸漬法、涂布法、電泳動(dòng)法等各種厚膜形成法；或噴濺法、離子束法、真空蒸鍍法、離子電鍍法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、電鍍等各種薄膜形成法來(lái)形成上部電極14，可以適當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)前者的厚膜形成法來(lái)形成。
另一方面，下部電極16由鉑、鉬、鎢等構(gòu)成。此外，由對(duì)于高溫氧化氣團(tuán)具有耐氧化性的導(dǎo)體，例如由金屬單體、合金、絕緣性陶瓷和金屬單體的混合物、絕緣性陶瓷與合金的混合物等構(gòu)成，適當(dāng)?shù)赜摄K、銥、鈀、銠、鉬等高熔點(diǎn)的貴金屬，或由以銀-鈀、銀-鉑、鉑-鈀等合金為主要成分的材料，鉑和陶瓷材料的金屬陶瓷材料構(gòu)成。更好地是由僅以鉑或鉑類(lèi)合金為主要成分的材料構(gòu)成。
此外，作為下部電極16，可以使用碳、石墨類(lèi)的材料。此外，在電極材料中添加的陶瓷材料的比例5～30％的程度為恰當(dāng)。當(dāng)然也可以使用和上述的上部電極相同的材料。
恰當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)上述厚膜形成法來(lái)形成下部電極16。下部電極16的厚度可以為小于等于20μm，更恰當(dāng)?shù)乜梢詾樾∮诘扔?μm。
每次分別形成發(fā)射極部12上部電極14以及下部電極16時(shí)進(jìn)行熱處理(燒結(jié)處理)，由此可以構(gòu)成一體。
作為用于使發(fā)射極部12上部電極14以及下部電極16一體化的燒結(jié)處理的溫度，可以設(shè)為500～1400℃的范圍，或更恰當(dāng)?shù)卦O(shè)為1000～1400℃的范圍。并且，在對(duì)膜狀的發(fā)射極部12進(jìn)行熱處理時(shí)，為了在高溫時(shí)發(fā)射極部12的組成不會(huì)變得不穩(wěn)定，優(yōu)選一邊與發(fā)射極部12的發(fā)熱源一起進(jìn)行氣團(tuán)控制一邊進(jìn)行燒結(jié)處理。
通過(guò)燒結(jié)處理，特別地，在成為上部電極14的膜例如從10μm的厚度收縮到0.1μm的厚度的同時(shí)，形成了多個(gè)孔等，結(jié)果如圖1所示，在上部電極14形成多個(gè)貫通部20，貫通部20的周部26形成為屋檐狀。當(dāng)然也可以通過(guò)事先(燒結(jié)之前)對(duì)成為上部電極14的膜進(jìn)行蝕刻(濕蝕刻、干蝕刻)或提離(lift off)來(lái)實(shí)施成型(patterning)，然后在進(jìn)行燒結(jié)。如后面所述，此時(shí)，作為貫通部20可以容易地形成缺口形狀或縫隙形狀。
此外，可以采用由恰當(dāng)?shù)牟牧细采w發(fā)射極部12，該發(fā)射極部12的表面不直接露出燒結(jié)氣團(tuán)地進(jìn)行燒結(jié)的方法。
然后，對(duì)電子射出元件10A的電子射出原理進(jìn)行說(shuō)明。首先，在上部電極14和下部電極16之間施加驅(qū)動(dòng)電壓Va。該驅(qū)動(dòng)電壓例如被定義為像脈沖電壓或交流電壓那樣，隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)，從比基準(zhǔn)電壓(例如0V)高或低的電壓電平急劇地變化為比基準(zhǔn)電壓低或高的電壓電平的電壓。
此外，在發(fā)射極部12的上表面、上部電極14以及該電子發(fā)射元件10A周?chē)慕橘|(zhì)(例如真空)的接觸部位形成有三元接合點(diǎn)(triple junction)。這里，所謂的三元接合點(diǎn)被定義為由上部電極14、發(fā)射極部12以及真空的接觸形成的電場(chǎng)集中部。此外，在所述三元接合點(diǎn)中還包含上部電極14、發(fā)射極部12以及真空作為1個(gè)點(diǎn)存在的3重點(diǎn)。氣團(tuán)中的真空度優(yōu)選為102～10-6Pa，更優(yōu)選地為10-3～10-5Pa。
在第一實(shí)施方式中，三元接合點(diǎn)在上部電極14的屋檐狀部26或上部電極14的邊緣部形成。因此，當(dāng)在上部電極14和下部電極16之間施加上述的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在上述三元接合點(diǎn)發(fā)生電場(chǎng)集中。
首先，參照?qǐng)D4以及圖5，對(duì)第一電子發(fā)射方式進(jìn)行說(shuō)明。在圖4的第一輸出期間T1(第一階段)中，對(duì)上部電極14施加比基準(zhǔn)電壓(此時(shí)為0V)低的電壓V2，對(duì)下部電極16施加比基準(zhǔn)電壓高的電壓V1。在該第一輸出期間T1，在上述三元接合點(diǎn)發(fā)生電場(chǎng)集中，例如在發(fā)射極部12中，從上部電極14的貫通部20露出的部分或上部電極14的邊緣部附近的部分積蓄電子。此時(shí)，上部電極部14發(fā)揮作為電子提供源的作用。
在下面的第二輸出期間T2中，驅(qū)動(dòng)電壓Va的電壓電平急劇減小，即，當(dāng)對(duì)上部電極14施加比基準(zhǔn)電壓高的電壓V1，對(duì)下部電極16施加比基準(zhǔn)電壓低的電壓V2時(shí)，這次，在所述三元接合點(diǎn)產(chǎn)生向相反方向的電場(chǎng)集中，如圖5所示，在發(fā)射極部12中，從積蓄了所述電子的部分經(jīng)由貫通部20進(jìn)行電子發(fā)射。當(dāng)然，也從上部電極14的外周部的附近進(jìn)行電子發(fā)射。
然后，對(duì)第二電子發(fā)射方式進(jìn)行說(shuō)明。首先，在圖6的第一輸出期間T1中，對(duì)上部電極14施加比基準(zhǔn)電壓高的電壓V3，對(duì)下部電極16施加比基準(zhǔn)電壓低的電壓V4。在該第一輸出期間T1，進(jìn)行用于電子發(fā)射的準(zhǔn)備(例如發(fā)射極部12向一方向的極化等)。在之后的第二輸出期間T2中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Va的電壓電平急劇變小，即，當(dāng)對(duì)上部電極14施加比基準(zhǔn)電壓低的電壓V4，對(duì)下部電極16施加比基準(zhǔn)電壓高的電壓V3時(shí)，這次，在上述三元接合點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)集中，通過(guò)該電場(chǎng)集中從上部電極14發(fā)射電子，與發(fā)射極部12中從貫通部20露出的部分以及上部電極14的外周部附近碰撞。由此，如圖7所示，從1次電子所碰撞的部分發(fā)射2次電子(包含1次電子的反射電子)。即，在第二輸出期間T2的初期階段，從所述貫通部20以及上部電極14的外周部附近發(fā)射2次電子。
而且，在該第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A中，由于在上部電極14形成了多個(gè)貫通部20，所以從各個(gè)貫通部20以及上部電極14的外周部的附近均等地進(jìn)行電子發(fā)射，整體電子發(fā)射特性的波動(dòng)降低，電子發(fā)射控制變得容易，同時(shí)電子發(fā)射效率提高。
此外，第一實(shí)施方式中，在上部電極14的屋檐狀部26和發(fā)射極部26之間形成了間隙28的形狀，所以在施加了驅(qū)動(dòng)電壓Va時(shí)，容易在該間隙28的部分發(fā)生電場(chǎng)集中。這在伴隨電子發(fā)射高效化的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化(低電壓電平的電子發(fā)射)。
如上所述，第一實(shí)施方式中，上部電極14在貫通部20的周部形成屋檐狀部26，因此也和在間隙28的部分的電場(chǎng)集中變大相互作用，容易從上部電極14的屋檐狀部26進(jìn)行電子發(fā)射。這在伴隨電子發(fā)射的高輸出、高效化的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓Va的低電壓化。此外，在上述的電子射出方式(發(fā)射積蓄在發(fā)射極部12的電子的方式)或第二電子發(fā)射方式(發(fā)射2次電子的方式)的任意一種方式中，上部電極14的屋檐狀部26作為門(mén)電極(控制電極、電子聚焦透鏡)發(fā)揮作用，所以可以提高電子發(fā)射的直線傳播性。例如，在排列多個(gè)電子發(fā)射元件10A，例如作為顯示器的電子源構(gòu)成電子發(fā)射元件的情況下，利于降低交調(diào)失真。
如此，在第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A中，可以容易地產(chǎn)生高的電場(chǎng)集中，而且可以將電子發(fā)射部位設(shè)為多個(gè)，對(duì)于電子發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率，還可以進(jìn)行低電壓驅(qū)動(dòng)(降低消耗的功率)。
特別地，在第一實(shí)施方式中，發(fā)射極部12的至少上表面形成電介質(zhì)晶界的凸凹22，上部電極14在與電介質(zhì)的晶界的凹部24對(duì)應(yīng)的部分形成貫通部20，所以可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)上部電極14的屋檐狀部26。
此外，將發(fā)射極部12的上表面，即電介質(zhì)的晶界的凸部30的表面(凹部24的內(nèi)壁面)和上部電極14的屋檐狀部26的下表面26a所成的角的最大角度θ設(shè)為1°≤θ≤60°，將設(shè)發(fā)射極部12的電介質(zhì)的晶界的凸部30的表面(凹部24的內(nèi)壁面)和上部電極14的屋檐狀部26的下表面26a之間的沿垂直方向的最大間隔d設(shè)為0μm≤d≤10μm，所以通過(guò)該結(jié)構(gòu)，可以使在間隙28部分的電場(chǎng)集中度更大，可以高效地實(shí)現(xiàn)電子射出的高輸出、高效率，以及驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化。
此外，在該第一實(shí)施方式中，設(shè)貫通孔20為孔32的形狀。如圖2所示，在發(fā)射極部12中，與上部電極14和下部電極16(參照?qǐng)D1)之間施加的驅(qū)動(dòng)電壓Va相對(duì)應(yīng)地極化發(fā)生反轉(zhuǎn)或變化的部分是形成了上部電極14的正下方的部分(第一部分)40，和與從貫通部20的內(nèi)周朝向貫通部20的內(nèi)方向的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的部分(第二部分)42，特別地，第二部分42隨著驅(qū)動(dòng)電壓Va的電平或電場(chǎng)集中度進(jìn)行變化。因此，在該第一實(shí)施方式中，將孔32的平均直徑設(shè)為大于等于0.1μm小于等于10μm。如果在該范圍內(nèi)，通過(guò)貫通部20發(fā)射的電子的反射分布中幾乎沒(méi)有波動(dòng)，可以高效地發(fā)射電子。
此外，在孔32的平均直徑不足0.1μm時(shí)，積蓄電子的區(qū)域變窄，射出的電子的量減少。當(dāng)然，可以考慮設(shè)置多個(gè)孔32，但也存在隨著困難的增大制造成本升高的擔(dān)憂。當(dāng)孔32的平均直徑超過(guò)10μm時(shí)，在從發(fā)射極部12的所述貫通部20露出的部分中，用于電子發(fā)射的部分(第二部分)42的比例(占有率)變小，電子的發(fā)射效率降低。
作為上部電極14屋檐狀部26的剖面形狀，可以如圖2所示，是上表面和下表面一起在水平方向上延長(zhǎng)的形狀，也可以如圖8所示，屋檐狀部26的下表面26a大致水平，屋檐狀部26的上端部向上方突起。此外，還可以如圖9所示，屋檐狀部26的下表面26a朝向貫通部20的中心緩緩向上方傾斜，另外還可以如圖10所示，屋檐狀部26的下表面26a朝向貫通部20的中心緩緩向下方傾斜。在圖8的例子可以提高作為門(mén)電極的功能，在圖1哦的例子中，由于間隙28的部分變窄，所以更容易發(fā)生電場(chǎng)集中，可以提高電子發(fā)射的高輸出、高效率。
此外，在該第一實(shí)施方式中，如圖11所示，在電氣動(dòng)作中，在上部電極14和下部電極16之間形成了發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1和各個(gè)間隙28構(gòu)成的多個(gè)電容器Ca的集合體。即，各個(gè)間隙28構(gòu)成的多個(gè)電容器Ca構(gòu)成一個(gè)相互并聯(lián)連接的電容器C2，在等價(jià)電路中，發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1與集合體構(gòu)成的電容器C2串聯(lián)連接。
在實(shí)際中，發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1并非這樣地與集合體構(gòu)成的電容器C2串聯(lián)連接，串聯(lián)連接的電容器成分與向上部電極14的貫通部20的形成個(gè)數(shù)或整個(gè)形成面積等相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行變化。
這里，如圖20所示，例如假設(shè)發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C 1中的25％與集合體構(gòu)成的電容器C2串聯(lián)連接的情況，來(lái)嘗試進(jìn)行容量計(jì)算。首先，由于間隙28的部分是真空的所以介電常數(shù)為1。然后，設(shè)間隙28的最大間隔為0.1μm，一個(gè)間隙28的部分的面積S＝1μm×1μm，設(shè)間隙28的個(gè)數(shù)為10,000個(gè)。此外，當(dāng)設(shè)發(fā)射極部12的介電常數(shù)為2000，設(shè)發(fā)射極部12的厚度為20μm，設(shè)上部電極14和下部電極16的相對(duì)面積為200μm×200μm時(shí)，集合體構(gòu)成的電容器C2的容量值為0.885pF，發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1的容量為35.4pF。然后，在將發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1中與集合體構(gòu)成的電容器C2串聯(lián)連接的部分設(shè)為全體的25％時(shí)，該串聯(lián)連接部分的容量值(包含了集合體構(gòu)成的電容器C2的容量值的容量值)為0.805pF，剩余的容量值為26.6pF。
在將剩余的部分與這些串聯(lián)連接的部分并聯(lián)連接之后，全體的容量值為27.5pF。該容量值是發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1的容量值35.4pF的78％。即，全體的容量值變得小于發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1的容量值。
如此，關(guān)于多個(gè)間隙28構(gòu)成的電容器Ca的集合體，間隙28構(gòu)成的電容器Ca的容量值相對(duì)小，從與發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1的分壓，施加電壓Va幾乎全部被施加在間隙28，在各個(gè)間隙28實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射的高輸出化。
此外，集合體構(gòu)成的電容器C2與發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1串聯(lián)連接，所以全體的容量值小于發(fā)射極部12構(gòu)成的電容器C1的容量值。由此，可以獲得電子發(fā)射為高輸出，全體的消耗功率減小的理想的特性。
然后，參照?qǐng)D13～圖15，對(duì)上述第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10Aa的3個(gè)變形例進(jìn)行說(shuō)明。
首先，如圖13所示，第一變形例的電子發(fā)射元件10A在貫通部20的形狀特別是從上面看的形狀為缺口44的形狀這一點(diǎn)上不同。作為缺口44的形狀，如圖13所示，優(yōu)選為多個(gè)缺口44相互連續(xù)地形成的梳齒狀的缺口46。此時(shí)有利于降低通過(guò)貫通部20所發(fā)射的電子的發(fā)射分布的波動(dòng)，高效率地發(fā)射電子。特別地，優(yōu)選設(shè)缺口44的平均寬度為大于等于0.1μm小于等于10μm。該平均寬度表示與缺口44的中心線垂直相交的各自不同的多個(gè)線段的長(zhǎng)度的平均值。
如圖14所示，第二變形例的電子發(fā)射元件10Ab在貫通部20的形狀特別是從上面看的形狀為縫隙48這一點(diǎn)上不同。這里，所謂縫隙48，是長(zhǎng)軸方向(長(zhǎng)方向)的長(zhǎng)度大于等于短軸方向(短方向)長(zhǎng)度的10倍的形狀。因此，長(zhǎng)軸方向(長(zhǎng)方向)的長(zhǎng)度不足短軸方向(短方向)長(zhǎng)度的10倍的形狀可以作為孔32(參照?qǐng)D3)的形狀來(lái)進(jìn)行定義。此外，作為縫隙48還包含多個(gè)孔32連通地連接的形狀。此時(shí)，優(yōu)選設(shè)縫隙48的平均寬度為大于等于0.1μm小于等于10μm。這有利于降低通過(guò)貫通部20所發(fā)射的電子的發(fā)射分布的波動(dòng)，高效率地發(fā)射電子。該平均寬度表示與縫隙48的中心線垂直相交的各自不同的多個(gè)線段的長(zhǎng)度的平均值。
如圖15所示，第三變形例的電子發(fā)射元件10Ac的不同點(diǎn)在于在發(fā)射極部12的上表面，在與貫通部20對(duì)應(yīng)的部分，例如在電介質(zhì)的晶界的凹部24存在有浮置電極50。此時(shí)，由于浮置電極50也成為電子提供源，所以在電子的發(fā)射階段(上述第一電子發(fā)射方式的第二輸出期間T2(參照?qǐng)D4))，可以通過(guò)貫通部20向外部發(fā)射多個(gè)電子。
這里，對(duì)第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A的特性，特別是對(duì)電壓-電荷量特性(電壓-極化量特性)進(jìn)行說(shuō)明。
該第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A在真空中，如在圖16的特性中所表示的那樣，描繪以基準(zhǔn)電壓＝0為基準(zhǔn)的非對(duì)稱(chēng)的磁滯曲線。
對(duì)該特性進(jìn)行說(shuō)明，首先，在將發(fā)射極部12中發(fā)射電子的部分定義為電子發(fā)射部時(shí)，在施加基準(zhǔn)電壓的點(diǎn)p1(初期狀態(tài))，成為在所述電子發(fā)射部幾乎沒(méi)有積蓄電子的狀態(tài)。之后，當(dāng)施加負(fù)電壓時(shí)，所述電子發(fā)射部的正電荷的量增加，與此相伴積蓄電子。當(dāng)向負(fù)方向增大負(fù)電壓的電平時(shí)，伴隨著向所述電子發(fā)射部的電子的積蓄，在某個(gè)負(fù)電壓的點(diǎn)p2成為正電荷的量和電子的量平衡的狀態(tài)，當(dāng)向負(fù)方向增大負(fù)電壓的電平時(shí)，電子的積蓄量進(jìn)一步增加，成為負(fù)電荷的量多于正電荷的量的狀態(tài)。在點(diǎn)p3成為電子的積蓄飽和狀態(tài)。
然后，當(dāng)減小負(fù)電壓的電平，而且超過(guò)基準(zhǔn)電壓地施加正電壓時(shí)，在點(diǎn)p4開(kāi)始電子發(fā)射。如果沿正方向增大該正電壓，電子的發(fā)射量增加，在點(diǎn)p5成為正電荷的量與電子的量平衡的狀態(tài)。然后，在點(diǎn)D6，所積蓄的電子幾乎全部被發(fā)射，正電荷的量和負(fù)電荷的量的差大體與初期狀態(tài)相同。即為電子的積蓄幾乎沒(méi)有，在電子發(fā)射部?jī)H呈現(xiàn)發(fā)射極部12極化后的偶極子的負(fù)電荷。
然后，該特性的特征部分為以下(1)在將正電荷的量和電子的量為平衡狀態(tài)的點(diǎn)p2的負(fù)電壓設(shè)為V1，點(diǎn)p5的正電壓設(shè)為V2時(shí)，|V1|＜|V2|。
(2)更詳細(xì)地為1.5×|V1|＜|V2|。
(3)在將點(diǎn)p2的正電荷的量和電子的量的變化比例設(shè)為ΔQ1/ΔV1，點(diǎn)p5的正電荷的量和電子的量的變化比例設(shè)為ΔQ2/ΔV2時(shí)，(ΔQ1/ΔV1)＞(ΔQ2/ΔV2)。
(4)在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為V3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為V4時(shí)，1≤|V4|/|V3|≤1.5。
然后，在電壓一極化量特性的立場(chǎng)說(shuō)明圖16的特性。假設(shè)在初期階段，發(fā)射極部12向某一極化，例如假設(shè)偶極子矩(モ一メント)的負(fù)極成為朝向發(fā)射極部12的上表面的狀態(tài)(參照?qǐng)D17A)的情況進(jìn)行說(shuō)明。
首先，如圖16所示，在施加基準(zhǔn)電壓(例如0V)的點(diǎn)p1(初期狀態(tài))，如圖17A所示，偶極子矩的負(fù)極成為朝向發(fā)射極部12的上表面的狀態(tài)，因此成為在發(fā)射極部12的上表面幾乎沒(méi)有積蓄電子的狀態(tài)。
然后，當(dāng)施加負(fù)電壓，向負(fù)方向增大該負(fù)電壓的電平時(shí)，從每次超過(guò)負(fù)的抗電壓(參照?qǐng)D16的點(diǎn)p2)開(kāi)始極化開(kāi)始進(jìn)行反轉(zhuǎn)，在圖16的點(diǎn)p3全部的極化進(jìn)行反轉(zhuǎn)。(參照?qǐng)D17B)通過(guò)該極化反轉(zhuǎn)，在上述的三元接合點(diǎn)發(fā)生電場(chǎng)集中，例如在發(fā)射極部12中，在從上部電極14的貫通部20露出的部分或上部電極14的邊緣部附近的部分積蓄電子(參照?qǐng)D17C)。特別地，從上部電極14向發(fā)射極部12中從上部電極14的貫通部20露出的部分發(fā)射(內(nèi)部發(fā)射)電子。然后，在圖16的點(diǎn)p3成為電子的積蓄飽和狀態(tài)。
然后，當(dāng)減小負(fù)電壓的電平，并且超過(guò)基準(zhǔn)電壓地施加正電壓時(shí)，直到達(dá)到某一電壓電平之前維持發(fā)射極部12上表面的帶電狀態(tài)(參照?qǐng)D18A)。當(dāng)進(jìn)一步增大正電壓的電平時(shí)，就在圖16的點(diǎn)p4之前產(chǎn)生偶極子矩的負(fù)極開(kāi)始朝向發(fā)射極部12的上表面的區(qū)域(參照?qǐng)D18B)，進(jìn)一步增大正電壓的電平，在圖16的點(diǎn)p4之后開(kāi)始電子的發(fā)射(參照?qǐng)D18C)。如果沿正方向增大該正電壓，電子的發(fā)射量增加，從每次超過(guò)正的抗電壓(點(diǎn)p5)開(kāi)始極化再次進(jìn)行反轉(zhuǎn)的區(qū)域擴(kuò)大，在點(diǎn)p6，所積蓄的電子幾乎被全部發(fā)射，此時(shí)的極化量與初期狀態(tài)的極化量大致相同。
并且，該電子發(fā)射元件10A的特性的特征部分為以下(A)在將負(fù)的抗電壓設(shè)為v1，將正的抗電壓設(shè)為v2時(shí)，|v1|＜|v2|。
(B)更詳細(xì)地為1.5×|v1|＜|v2|。
(C)在將施加了負(fù)的抗電壓v1時(shí)的極化的變化比例成為Δq1/Δv1，將施加了正的抗電壓v2時(shí)的極化的變化比例成為Δq2/Δv2時(shí)，
(Δq1/Δv1)＞(Δq2/Δv2)。
(D)在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為v3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為v4時(shí)，1≤|v4|/|v3|≤1.5。
第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A由于具有上述那樣的特性，所以可以容易地應(yīng)用于具有對(duì)應(yīng)多個(gè)象素而排列的多個(gè)電子發(fā)射元件10A的，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器。
然后，對(duì)使用第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A構(gòu)成的顯示器100進(jìn)行說(shuō)明。
如圖19所示，該顯示器100具有多個(gè)電子發(fā)射元件10A與象素相對(duì)應(yīng)地排列成矩陣狀或鋸齒狀的顯示部102，和用于驅(qū)動(dòng)該顯示部102的驅(qū)動(dòng)電路104。此時(shí)，可以對(duì)1個(gè)象素分配1個(gè)電子發(fā)射元件10A。在該實(shí)施方式中，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，假設(shè)對(duì)1個(gè)象素分配了1個(gè)電子發(fā)射元件10A的情況來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
該驅(qū)動(dòng)電路104鋪設(shè)了用于對(duì)顯示部102選擇行的多個(gè)行選擇線106，還鋪設(shè)了用于對(duì)顯示部102提供象素信號(hào)Sd的所個(gè)信號(hào)線108。
而且，該驅(qū)動(dòng)電路14具有選擇性地對(duì)行選擇線106提供選擇信號(hào)Ss，以1行為單位依次選擇電子發(fā)射元件10A的行選擇電路110；并行地對(duì)信號(hào)線108輸出象素信號(hào)Sd，分別對(duì)行選擇電路110所選擇出的行(選擇行)提供象素信號(hào)Sd的信號(hào)提供電路112；根據(jù)輸入的映象信號(hào)Sv以及同步信號(hào)Sc控制行選擇電路110以及信號(hào)提供電路112的信號(hào)控制電路114。
電源電路116(例如50V以及0V)與行選擇電路110以及信號(hào)提供電路112相連界，特別地，在行選擇電路110和電源電路116間的負(fù)極線和GND(地線)間連接了脈沖電源118。脈沖電源118輸出脈沖狀的電壓波形，該電壓波形在后述的電荷積蓄期間Td為基準(zhǔn)電壓(例如0V)，在發(fā)光期間Th為電壓(例如-400V)。
行選擇電路110在電荷積蓄期間Td中對(duì)選擇行輸出選擇信號(hào)Ss，對(duì)非選擇行輸出非選擇信號(hào)Sn。此外，行選擇電路110在發(fā)光期間Th中輸出將來(lái)自電源電路116的電源電壓(例如50V)和來(lái)自脈沖電源118的電壓(例如-400V)相加后的恒定電壓(例如-350V)。
信號(hào)提供電路112具有脈沖生成電路120和振幅調(diào)制電路122。脈沖生成并輸出電路120在電荷積蓄期間Td中以一定的脈沖周期生成具有一定振幅(例如50V)的脈沖信號(hào)Sp，在發(fā)光期間Th輸出輸出基準(zhǔn)電壓(例如0V)。
振幅調(diào)制電路122在電荷積蓄期間Td對(duì)應(yīng)與選擇行有關(guān)的象素亮度的等級(jí)來(lái)分別對(duì)來(lái)自脈沖生成電路120的脈沖信號(hào)Sp進(jìn)行振幅調(diào)制，并分別作為與選擇行有關(guān)的象素的象素信號(hào)Sd進(jìn)行輸出，在發(fā)光期間Th中，原樣地輸出來(lái)自脈沖生成電路120的基準(zhǔn)電壓。通過(guò)象素控制電路114進(jìn)行這些的定時(shí)控制以及向振幅調(diào)制電路122提供所選擇的多個(gè)象素的亮度等級(jí)。
例如像在圖20A～圖20C中表示三個(gè)例子那樣，在亮度等級(jí)低的情況下，設(shè)脈沖信號(hào)Sp的振幅為低電平Vsl(參照?qǐng)D20A)；在亮度等級(jí)為中等的情況下，設(shè)脈沖信號(hào)Sp的振幅為中電平Vsm(參照?qǐng)D20B)；在亮度等級(jí)高的情況下，設(shè)脈沖信號(hào)Sp的振幅為高電平Vsh(參照?qǐng)D20C)。在該例子中，雖然表示劃分為3個(gè)例子，但在用于顯示器100的情況下，對(duì)應(yīng)象素的亮度等級(jí)，例如將脈沖信號(hào)Sp振幅調(diào)制為128級(jí)或256級(jí)。
這里，參照?qǐng)D21～圖22C對(duì)信號(hào)提供電路112的變形例進(jìn)行說(shuō)明。
如圖21所示，變形例的信號(hào)提供電路112a具有脈沖生成電路124和脈沖寬度調(diào)制電路126。脈沖生成電路124在電荷積蓄期間Td，生成并輸出在對(duì)電子發(fā)射元件10A施加的電壓波形(圖22A～圖22C中用實(shí)線表示)中，上升部分的波形連續(xù)地生成電平變化的脈沖信號(hào)Spa(圖22A～圖22C中由虛線表示)，在發(fā)光期間Th輸出基準(zhǔn)電壓。然后，脈沖寬度調(diào)制電路126在電荷積蓄期間Td，對(duì)應(yīng)與選擇行有關(guān)的象素的亮度等級(jí)分別對(duì)來(lái)自脈沖生成電路124的脈沖信號(hào)Spa的脈沖寬度Wp(參照?qǐng)D22A～圖22C)進(jìn)行調(diào)制，并分別作為與選擇行有關(guān)的象素的象素信號(hào)Sd進(jìn)行輸出。在發(fā)光期間Th原樣地輸出來(lái)自脈沖生成電路124的基準(zhǔn)電壓。在此時(shí)也通過(guò)象素控制電路114進(jìn)行這些的定時(shí)控制以及向脈沖寬度調(diào)制電路126提供所選擇的多個(gè)象素的亮度等級(jí)。
例如像在圖20A～圖20C中表示三個(gè)例子那樣，在亮度等級(jí)低的情況下，縮短脈沖信號(hào)Spa的脈沖寬度Wp，設(shè)實(shí)際的振幅為低電平Vsl(參照?qǐng)D22A)；在亮度等級(jí)為中等的情況下，設(shè)脈沖信號(hào)Spa的脈沖寬度Wp為中電平的長(zhǎng)度，并設(shè)實(shí)際的振幅為中電平Vsm(參照?qǐng)D22B)；在亮度等級(jí)高的情況下，增長(zhǎng)脈沖信號(hào)Spa的脈沖寬度Wp，并設(shè)實(shí)際的振幅為高電平Vsh(參照?qǐng)D22C)。這里，雖然表示劃分為3個(gè)例子，但在用于顯示器100的情況下，對(duì)應(yīng)象素的亮度等級(jí)，例如將脈沖信號(hào)Spa脈沖寬度調(diào)制為128級(jí)或256級(jí)。
這里，通過(guò)圖20A～圖20C所示的對(duì)脈沖信號(hào)Sp的3個(gè)振幅調(diào)制的例子和圖22A～圖22C所示的對(duì)脈沖信號(hào)Spa的3個(gè)脈沖寬度調(diào)制的例子的關(guān)聯(lián)來(lái)看上述使與電子的積蓄有關(guān)的負(fù)電壓電平發(fā)生了變化時(shí)的特性圖，此時(shí)，在圖20A以及圖22A所示的負(fù)電壓的電平Vsl下，如圖23A所示，在電子發(fā)射元件10A中積蓄的電子的量少。在圖20B以及圖22B所示的負(fù)電壓的電平Vsm下，如圖23B所示，積蓄的電子的量為中等；在圖20C以及圖22C所示的負(fù)電壓的電平Vsh下，如圖23C所示，積蓄的電子的量所，為幾乎飽和的狀態(tài)。
但是，如圖23A～圖23C所示，開(kāi)始進(jìn)行電子發(fā)射的點(diǎn)P4的電壓電平幾乎相同。即可知在積蓄了電子后，雖然在到達(dá)點(diǎn)p4所示的電壓電平之前施加電壓發(fā)生了變化，但電子的積蓄量幾乎沒(méi)有變化，發(fā)揮存儲(chǔ)器的效果。
此外，在將第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A作為顯示器100的象素進(jìn)行使用的情況下，如圖24所示，在上部電極14的上方設(shè)置例如用玻璃或丙稀制成的透明板130，在該透明板130的內(nèi)面(與上部電極14相對(duì)的面)例如設(shè)置由透明電極構(gòu)成的集電極132，并在該集電極132上涂布熒光體134。此外，將偏置電壓源136(集極電壓Vc)通過(guò)電阻與集電極132連接。此外，電子發(fā)射元件10A理所當(dāng)然地被設(shè)置在真空空間中。氣團(tuán)中的真空度優(yōu)選為102～10-6Pa，更好地為10-3～10-5Pa。
選擇這樣的范圍的理由是在低真空中(1)擔(dān)憂由于在空間中氣體分子多，所以容易產(chǎn)生等離子，當(dāng)產(chǎn)生了大量的等離子時(shí)，其正離子大量地與上部電極14進(jìn)行碰撞而促進(jìn)損傷；(2)擔(dān)憂在發(fā)射電子到達(dá)集電極132之前與氣體分子碰撞，無(wú)法充分進(jìn)行通過(guò)集極電壓Vc充分加速后的電子引起的熒光體134的激勵(lì)。
另一方面，在高真空下，雖然容易從電場(chǎng)集中的點(diǎn)發(fā)射電子，但機(jī)構(gòu)體的支撐以及真空的密封部增大，存在不利于小型化的問(wèn)題。
在圖24的例子中，設(shè)在透明板130的內(nèi)面形成集電極132，在該集電極132的表面(與上部電極14相對(duì)的面)形成熒光體134，但除此之外，還可以如圖25所示，在透明板130的內(nèi)面形成熒光體134，并覆蓋該熒光體134地形成集電極132。
這是在CRT等顯示器中使用的結(jié)構(gòu)，集電極132具有作為金屬敷層的作用。從發(fā)射極部12發(fā)射出的電子穿過(guò)集電極132進(jìn)入熒光體134來(lái)激勵(lì)該熒光體134。因此，集電極132是電子可以穿過(guò)的厚度，優(yōu)選小于等于100nm。電子的運(yùn)動(dòng)能量越大，越可以使集電極132的厚度更厚。
通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)可以起到以下的效果。
(a)在熒光體134不導(dǎo)電的情況下，可以防止熒光體134的帶電(負(fù))，維持電子的加速電場(chǎng)。
(b)集電極132反射熒光體134的發(fā)光，可以高效地對(duì)透明板130一側(cè)(發(fā)光面一側(cè))發(fā)射熒光體134的發(fā)光。
(c)可以防止向熒光體134的過(guò)度的電子的碰撞，可以防止熒光體134的惡化和從熒光體134產(chǎn)生氣體。
然后，表示有關(guān)該第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射狀態(tài)的4個(gè)試驗(yàn)例(第一～第四試驗(yàn)例)。
第一試驗(yàn)例是觀察電子發(fā)射元件10A的發(fā)射狀態(tài)的例子。即，如圖26A所示，對(duì)電子發(fā)射元件10A施加具有-70V電壓的寫(xiě)入脈沖Pw來(lái)對(duì)電子發(fā)射元件10A積蓄電子，之后施加具有280V電壓的點(diǎn)燈脈沖Ph來(lái)發(fā)射電子。電子的發(fā)射狀態(tài)通過(guò)受光元件(光電二極管)檢測(cè)熒光體134的發(fā)光來(lái)進(jìn)行測(cè)定。圖26B表示檢測(cè)波形。此外，寫(xiě)入脈沖Pw和點(diǎn)燈脈沖Ph的占空比設(shè)為50％。
根據(jù)該第一試驗(yàn)例可知從點(diǎn)燈脈沖Ph的上升途中開(kāi)始發(fā)光，在該點(diǎn)燈脈沖Ph的初期階段發(fā)光結(jié)束。因此，考慮即使縮短點(diǎn)燈脈沖Ph的期間也不會(huì)對(duì)發(fā)光具有影響。這有利于縮短高電壓的施加期間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)消耗功率的降低。
第二試驗(yàn)例是觀察電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射量根據(jù)圖27所示的寫(xiě)入脈沖Pw的振幅如何進(jìn)行變化的例子。電子發(fā)射量的變化與第一試驗(yàn)例相同，通過(guò)受光元件(光電二極管)檢測(cè)熒光體134的發(fā)光來(lái)進(jìn)行測(cè)定。圖28表示試驗(yàn)結(jié)果。
在圖28中，實(shí)線A表示將點(diǎn)燈脈沖Ph設(shè)為200V，使寫(xiě)入脈沖Pw的振幅從-10V變化到-80V時(shí)的特性，實(shí)線B表示將點(diǎn)燈脈沖Ph設(shè)為350V，使寫(xiě)入脈沖Pw的振幅從-10V變化到-80V時(shí)的特性。
如該圖28所示可知在使寫(xiě)入脈沖Pw從-20V變化為-40V的情況下，發(fā)光亮度幾乎直線地進(jìn)行變化。特別地，當(dāng)在點(diǎn)燈脈沖的振幅為350V的情況和200V的情況下進(jìn)行比較時(shí)，可知350V時(shí)與寫(xiě)入脈沖Pw相對(duì)的發(fā)光亮度變化的動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于實(shí)現(xiàn)圖像顯示的亮度和對(duì)比度的提高。雖然認(rèn)為該傾向?qū)τ邳c(diǎn)燈脈沖Ph的振幅設(shè)定，在發(fā)光亮度達(dá)到飽和之前的范圍內(nèi)，越提高點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅越為有利，但優(yōu)選根據(jù)與信號(hào)傳送系統(tǒng)的耐壓或消耗功率的關(guān)系來(lái)設(shè)定為最佳的值。
第三試驗(yàn)例是觀察電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射量根據(jù)圖27所示的點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅如何進(jìn)行變化的例子。電子發(fā)射量的變化與第一試驗(yàn)例相同，通過(guò)受光元件(光電二極管)檢測(cè)熒光體134的發(fā)光來(lái)進(jìn)行測(cè)定。圖29表示試驗(yàn)結(jié)果。
在圖29中，實(shí)線C表示將寫(xiě)入脈沖Pw的振幅設(shè)為-40V，使點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅從50V變化到400V時(shí)的特性，實(shí)線D表示將寫(xiě)入脈沖Pw的振幅設(shè)為-70V，使點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅從50V變化到400V時(shí)的特性。
如該圖29所示可知在使點(diǎn)燈脈沖Ph從100V變化為300V的情況下，發(fā)光亮度幾乎直線地進(jìn)行變化。特別地，當(dāng)在寫(xiě)入脈沖Pw的振幅為-40V的情況和-70V的情況下進(jìn)行比較時(shí)，可知-70V時(shí)與點(diǎn)燈脈沖Ph相對(duì)的發(fā)光亮度變化的動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于實(shí)現(xiàn)圖像顯示的亮度和對(duì)比度的提高。雖然認(rèn)為該傾向?qū)τ趯?xiě)入脈沖Pw的振幅設(shè)定，在發(fā)光亮度達(dá)到飽和之前的范圍內(nèi)，越提高寫(xiě)入脈沖Pw的振幅(此時(shí)為絕對(duì)值)越為有利，但有時(shí)也優(yōu)選根據(jù)與信號(hào)傳送系統(tǒng)的耐壓或消耗功率的關(guān)系來(lái)設(shè)定為最佳的值。
第四試驗(yàn)例是觀察電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射量根據(jù)圖24或圖25所示的集極電壓Vc的電平如何進(jìn)行變化的例子。電子發(fā)射量的變化與第一試驗(yàn)例相同，通過(guò)受光元件(光電二極管)檢測(cè)熒光體134的發(fā)光來(lái)進(jìn)行測(cè)定。圖30表示試驗(yàn)結(jié)果。
在圖30中，實(shí)線E表示將集極電壓Vc的電平設(shè)為3kV，使點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅從80V變化到500V時(shí)的特性，實(shí)線F表示將集極電壓Vc的電平設(shè)為7kV，使點(diǎn)燈脈沖Ph的振幅從80V變化到500V時(shí)的特性。
如該圖30所示可知將集極電壓Vc的電平設(shè)為7kV的情況與設(shè)為3kV的情況相比，與點(diǎn)燈脈沖Ph相對(duì)的發(fā)光亮度變化的動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于實(shí)現(xiàn)圖像顯示的亮度和對(duì)比度的提高。雖然認(rèn)為該傾向越提高集極電壓Vc的電平越為有利，但有時(shí)也優(yōu)選根據(jù)與信號(hào)傳送系統(tǒng)的耐壓或消耗功率的關(guān)系來(lái)設(shè)定為最佳的值。
這里，參照?qǐng)D31以及圖32對(duì)上述顯示器100的1個(gè)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行說(shuō)明。圖31有代表地表示1行1列，2行1列以及n行1列的象素的動(dòng)作。此外，這里使用的電子發(fā)射元件10A具有圖16的點(diǎn)p2的抗電壓v1例如為-20V，點(diǎn)p5的抗電壓v2為+70V，點(diǎn)p3的電壓v3為-50V，點(diǎn)p4的電壓v1為+50V的特性。
此外，如圖31所示，在將1個(gè)圖像的顯示期間設(shè)為1幀使時(shí)，在該1幀內(nèi)包含1個(gè)電荷積蓄期間Td和1個(gè)發(fā)光期間Tn，在1個(gè)電荷積蓄期間Td中包含n個(gè)選擇期間Ts。由于各個(gè)選擇期間Ts為各自對(duì)應(yīng)的行的選擇期間Ts，所以對(duì)于不對(duì)應(yīng)的n-1行為非選擇期間Tn。
然后，該驅(qū)動(dòng)方法為在電荷積蓄期間Td，掃描全部的電子發(fā)射元件10A，對(duì)與ON對(duì)象(發(fā)光對(duì)象)的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件10A施加電壓，該電壓是與各自相對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的電壓，由此使與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件10A積蓄電荷(電子)，該電荷的量是與各自相對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的量，在下面的發(fā)光期間，對(duì)全部的電子發(fā)射元件10A施加一定的電壓，從與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的所述多個(gè)電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子，該電子的量是與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的量，使ON對(duì)象的象素發(fā)光。
如果進(jìn)行具體的說(shuō)明，則還如圖32所示，首先，在第一行的選擇期間Ts對(duì)第一行的行選擇線106提供例如50V的選擇信號(hào)Ss，對(duì)其他行的行選擇線106例如提供0V的非選擇信號(hào)Sn。在第一列的象素中，對(duì)應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素的信號(hào)線108提供的象素信號(hào)Sd的電壓為大于等于0V，小于等于30V的范圍，而且為與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的電壓。如果亮度等級(jí)最大則為0V。與該象素信號(hào)Sd的亮度等級(jí)相應(yīng)的調(diào)制通過(guò)圖19所示的振幅調(diào)制電路122或圖21所示的脈沖寬度調(diào)制電路126來(lái)進(jìn)行。
由此，在分別與第一行的應(yīng)為ON的各象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A的上部電極和下部電極16之間，分別對(duì)應(yīng)亮度等級(jí)施加大于等于-50V，小于等于-20V的電壓。結(jié)果，在上述各電子發(fā)射元件10A積蓄與所施加的電壓相對(duì)應(yīng)的電子。例如與第一行第一列的象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件，例如為最大的亮度等級(jí)，所以為圖16的特性中的點(diǎn)p3的狀態(tài)，在發(fā)射極部12中的從上部電極14的貫通部20露出的部分積蓄最大量的電子。
對(duì)與表示OFF(消光)的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A提供的象素信號(hào)Sd的電壓例如為50V，由此對(duì)與OFF對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A施加0V，成為圖16的特性中的點(diǎn)p1的狀態(tài)，不進(jìn)行電子的積蓄。
在結(jié)束了向第一行提供象素信號(hào)Sd之后，在第二行的選擇期間Ts，對(duì)第二行的行選擇線106提供50V的選擇信號(hào)Ss，對(duì)其他行的行選擇線106提供0V的非選擇信號(hào)Sn。此時(shí)也在與應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A的上部電極和下部電極16之間，分別對(duì)應(yīng)亮度等級(jí)施加大于等于-50V，小于等于-20V的電壓。此時(shí)，雖然在與處于非選擇狀態(tài)的，例如在與第一行的象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A的上部電極14和下部電極16之間施加大于等于0V，小于等于50V的電壓，但由于該電壓是未達(dá)到圖16的特性點(diǎn)4的電平的電壓，所以沒(méi)有從與第一行中應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子。即，非選擇狀態(tài)的第一行的象素沒(méi)有受到提供給選擇狀態(tài)的第二行的象素的象素信號(hào)Sd的影響。
以下同樣地，在第n行的選擇期間Ts，對(duì)第n行的行選擇線106提供50V的選擇信號(hào)Ss，對(duì)其他行的行選擇線106提供0V的非選擇信號(hào)Sn。此時(shí)也在與應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A的上部電極和下部電極16之間，分別對(duì)應(yīng)亮度等級(jí)施加大于等于-50V，小于等于-20V的電壓。此時(shí)，雖然在與處于非選擇狀態(tài)的一行～(n-1)行的各象素對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A的上部電極14和下部電極16之間施加大于等于0V，小于等于50V的電壓，但沒(méi)有從與這些非選擇狀態(tài)的各象素中的應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子。
在經(jīng)過(guò)了第n行的選擇期間Ts的階段，進(jìn)入發(fā)光期間Th。在該發(fā)光期間Th，通過(guò)信號(hào)提供電路112對(duì)全部電子發(fā)射元件10A的上部電極14施加基準(zhǔn)電壓(例如0V)，對(duì)全部電子發(fā)射元件10A的下部電極16施加-350V的電壓(脈沖電源118的-400V+行選擇電路110的電源電壓50V)。由此，在全部電子發(fā)射元件10A的上部電極14和下部電極16之間施加高電壓(+350V)。全部的電子發(fā)射元件10A分別成為圖16的特性點(diǎn)p6的狀態(tài)，如圖18C所示，通過(guò)貫通部20從發(fā)射極部12中的積蓄了所述電子的部分發(fā)射電子。當(dāng)然，也從上部電極14的外周部附近發(fā)射電子。
即，從與應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子，所發(fā)射出的電子被引導(dǎo)至與這些電子發(fā)射元件10A對(duì)應(yīng)的集電極132，來(lái)激勵(lì)對(duì)應(yīng)的熒光體134進(jìn)行發(fā)光。由此，從透明板130的表面顯示圖像。
以后同樣地，以幀為單位，在電荷積蓄期間Td，在與應(yīng)為ON(發(fā)光)的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A積蓄電子，在發(fā)光期間Th，發(fā)射所積蓄的電子來(lái)使熒光體發(fā)光，由此從透明板130顯示動(dòng)畫(huà)圖像或靜止圖像。
如此，在第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件中，可以容易地適用于具有與多個(gè)象素對(duì)應(yīng)排列的多個(gè)電子發(fā)射元件10A的，通過(guò)來(lái)自各電子發(fā)射元件10A的電子發(fā)射進(jìn)行圖像顯示的顯示器100。
例如像上述那樣，可以在1幀內(nèi)的電荷積蓄期間Td，掃描全部的電子發(fā)射元件，對(duì)與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件10A施加電壓，該電壓是與各自相對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的電壓，由此使與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件10A積蓄電荷(電子)，該電荷的量是與各自相對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的量，在下面的發(fā)光期間Th，對(duì)全部的電子發(fā)射元件10A施加一定的電壓，從與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的多個(gè)電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子，該電子的量是與各自對(duì)應(yīng)的象素的亮度等級(jí)相應(yīng)的量，使ON對(duì)象的象素發(fā)光。
此外，在該第一實(shí)施方式中，例如電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓V3和開(kāi)始發(fā)射電子的電壓V4的關(guān)系為1≤|V4|/|V3|≤1.5。
通常，例如將電子發(fā)射元件10A排列成矩陣狀，與水平掃描期間同步地以1行為單位選擇電子發(fā)射元件10A，在對(duì)處于選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件10A分別提供與象素的亮度相應(yīng)的象素信號(hào)Sd時(shí)，也對(duì)處于非選擇狀態(tài)的象素提供所述象素信號(hào)Sd。
這存在以下的問(wèn)題非選擇狀態(tài)的電子10A發(fā)射元件受到所述象素信號(hào)的影響，例如當(dāng)進(jìn)行了電子發(fā)射時(shí)，引起顯示圖像的畫(huà)質(zhì)惡化、對(duì)比度下降。
但是，在該第一實(shí)施方式中，由于具有上述的特性，所以即使是以下簡(jiǎn)單的電壓關(guān)系進(jìn)行設(shè)定把提供給選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件10A的象素信號(hào)Sd的電壓電平設(shè)為從基準(zhǔn)電壓到電壓V3的任意的電壓，對(duì)于非選擇狀態(tài)的電子發(fā)射元件10A例如提供象素信號(hào)Sd的相反極性的信號(hào)，非選擇狀態(tài)的象素也不會(huì)因?yàn)橄蜻x擇狀態(tài)的象素的象素信號(hào)Sd而受到影響，可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)象素的存儲(chǔ)器效果，可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高對(duì)比度化。
另一方面，在該顯示器裝置100中，在電荷積蓄期間Td在全部的電子發(fā)射元件10A積蓄所需要的電荷，在之后的發(fā)光期間Th，對(duì)全部的電子發(fā)射元件10A施加電子發(fā)射所必需的電壓來(lái)使ON對(duì)應(yīng)的象素發(fā)光。
通常，在由電子發(fā)射元件10A構(gòu)成象素的情況下，為了使象素發(fā)光需要對(duì)電子發(fā)射元件10A施加電子發(fā)射所必需的電壓。因此，在向象素進(jìn)行掃描時(shí)積蓄電荷并進(jìn)行發(fā)光的情況下，需要在顯示1個(gè)圖像的期間(例如1幀)施加高電壓，存在消耗功率大的問(wèn)題。此外，選擇各電子發(fā)射元件10A，需要使提供象素信號(hào)Sd的電路也為與高電壓對(duì)應(yīng)的電路。
但是，在該例子中，在全部的電子發(fā)射元件10A積蓄了電荷之后，對(duì)全部的電子發(fā)射元件10A施加電壓，使與ON對(duì)象的電子發(fā)射元件10A對(duì)應(yīng)的象素發(fā)光。
因此，對(duì)全部的電子發(fā)射元件10A施加用于電子發(fā)射的電壓(發(fā)射電壓)的期間Th理所當(dāng)然比1幀短，而且還可以根據(jù)圖26A以及圖26B所示的第一試驗(yàn)例得知由于可以縮短發(fā)射電壓的施加期間，所以與在向象素進(jìn)行掃描時(shí)進(jìn)行電荷積蓄、發(fā)光的情況相比，可以大幅降低消耗功率。
此外，由于把在電子發(fā)射元件10A積蓄電荷的期間Td和從與ON對(duì)象的象素相對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射元件10A發(fā)射電子的期間Th分離開(kāi)，所以可以實(shí)現(xiàn)電路的低電壓驅(qū)動(dòng)，該電路用于對(duì)各個(gè)電子發(fā)射元件10A分別施加與亮度等級(jí)相對(duì)應(yīng)的電壓。
此外，與象素對(duì)應(yīng)的象素信號(hào)以及電荷積蓄期間Td的選擇信號(hào)Ss/非選擇信號(hào)Sn需要對(duì)每行或每列進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但如同在上述實(shí)施方式中看到的那樣，由于驅(qū)動(dòng)電壓可以為數(shù)十伏特，所以可以使用熒光顯示管等中使用的價(jià)格便宜的多輸出驅(qū)動(dòng)器。另一方面，在發(fā)光期間Th中，雖然充分發(fā)射電子的電壓可能比所述驅(qū)動(dòng)電壓大，但因?yàn)榭梢砸徊⒌仳?qū)動(dòng)全部ON對(duì)象的象素，所以無(wú)需多輸出的電路部件。例如可以存在由耐高壓的分立部件構(gòu)成的僅1輸出的驅(qū)動(dòng)電路，所以具有成本低、電路規(guī)模小的優(yōu)點(diǎn)。
然后，參照?qǐng)D33對(duì)第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10B進(jìn)行說(shuō)明。
如圖33所示，該第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10B具有和上述第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A大體相同的結(jié)構(gòu)，但其特征為上部電極14的構(gòu)成材料和下部電極16相同；上部電極14的厚度t比10μm厚，使用蝕刻(濕蝕刻、干蝕刻)或提離、激光等人為地形成貫通部20。貫通部20的形狀與上述第一實(shí)施方式相同，可以采用缺口44的形狀、縫隙48的形狀。
而且，上部電極14的貫通部20的周部26的下表面26a朝向貫通部20的中心緩緩向上方傾斜。該形狀例如可以使用提離法來(lái)簡(jiǎn)單地形成。
在該第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10B中，也和上述第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A相同，可以容易地發(fā)生電場(chǎng)集中，而且可以將電子發(fā)射部位設(shè)為多個(gè)，對(duì)于電子發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率，并還可以進(jìn)行低電壓驅(qū)動(dòng)(低消耗功率)。
此外，像圖34所示的第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10Ba那樣，在發(fā)射極部12中的與貫通部20對(duì)應(yīng)的部分可以存在浮置電極50。
此外，像圖35所示的第二實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10Bb那樣，作為上部電極14，可以形成剖面形狀大體為T(mén)字型的電極。
此外，像圖36所示的第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10Bc那樣，上部電極14的形狀特別地可以采用上部電極14的貫通部20的周部26浮起的形狀。這在形成上部電極14的膜材料中，可以包含在燒結(jié)過(guò)程中氣化的材料。由此，在燒結(jié)過(guò)程中，所述材料氣化，作為他的遺跡在上部電極14上形成多個(gè)貫通部20，同時(shí)貫通部20的周部26成為浮起的形狀。
下面，參照?qǐng)D37對(duì)第三實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10C進(jìn)行說(shuō)明。
如圖37所示，該第三實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10C具有和上述第一實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10A大體相同的結(jié)構(gòu)，但其不同點(diǎn)為例如具有由陶瓷構(gòu)成的1個(gè)基板60；下部電極16在基板60上形成，發(fā)射極部12在基板60上，而且覆蓋下部電極16地形成，并且上部電極14在發(fā)射極部12上形成。
在基板60的內(nèi)部，在與形成各個(gè)發(fā)射極部12的部分相對(duì)應(yīng)的位置上形成了后述的用于形成薄壁部的空腔62?？涨?2通過(guò)在基板60的另一端面形成的直徑小的貫通孔64與外部相連通。
使所述基板60中形成空腔62的部分為薄壁(以下記做薄壁部66)，使其他的部分為厚壁部來(lái)發(fā)揮作為支撐所述薄壁部66的固定部68的功能。
即，基板60是最下層的基板層60A和中間層的隔板層60B以及最上層的薄板層60C的積層體，可以作為在隔板層60B中與發(fā)射極部12相對(duì)應(yīng)的部位形成了空腔62的一體化構(gòu)造體來(lái)進(jìn)行把握?；鍖?0A除了具有作為增強(qiáng)用基板的功能，還具有作為布線用基板的功能。此外，所述基板60可以通過(guò)基板層60A、隔板層60B以及薄板層60C的一體化燒結(jié)形成，還可以粘接這些層60A～60C來(lái)形成。
薄壁部66優(yōu)選為高耐熱性材料。其原因?yàn)榘l(fā)射極部12在不使用有機(jī)粘接劑等耐熱性差的材料，而是通過(guò)固定部68直接支撐薄壁部66的情況下，為了至少在發(fā)射極部12形成的時(shí)候薄壁部66不發(fā)生變質(zhì)，薄壁部66優(yōu)選為高耐熱材料。
此外，薄壁部66為了進(jìn)行與在基板60上形成的上部電極14相連的線路和與下部電機(jī)16相連的線路的電氣隔離，優(yōu)選絕緣性材料。
因此，作為薄壁部66的材料，可以是高耐熱的金屬或由玻璃等陶瓷材料覆蓋該金屬表面的搪瓷(ホ一ロウ)等材料，但最好為陶瓷材料。
作為構(gòu)成薄壁部66的陶瓷材料，例如可以使用穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、尖晶石、多鋁紅柱石、氮化鋁、氮化硅、玻璃、以及這些的混合物。其中，從強(qiáng)度以及剛性的觀點(diǎn)看優(yōu)選氧化鋁以及穩(wěn)定的氧化鋯。穩(wěn)定的氧化鋯從機(jī)械強(qiáng)度比較高；韌性比較高；上部電極14和下部電極16的化學(xué)反應(yīng)比較小等觀點(diǎn)來(lái)看特別地合適。此外，所謂穩(wěn)定的氧化鋯包含穩(wěn)定化的氧化鋯和部分穩(wěn)定化的氧化鋯。在穩(wěn)定的氧化鋯中，由于成為立方晶體等晶體結(jié)構(gòu)，所以不發(fā)生相轉(zhuǎn)變。
另一方面，氧化鋯在1000℃左右在單斜晶和正方晶之間進(jìn)行相轉(zhuǎn)變，在這樣的相轉(zhuǎn)變時(shí)可能發(fā)生斷裂。穩(wěn)定的氧化鋯含有1～30摩爾％的氧化鈣、氧化鎂、氧化釔、氧化鈧、氧化鐿、氧化鈰、稀土類(lèi)金屬的氧化物等穩(wěn)定劑。此外，為了提高基板60的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定劑最好包含氧化釔。此時(shí)，恰當(dāng)?shù)貫榘?.5～6摩爾％的氧化釔，更恰當(dāng)?shù)貫榘?～4摩爾％的氧化釔，而且優(yōu)選包含0.1～5摩爾％的氧化鋁。
此外，可以使結(jié)晶相為立方晶+單斜晶的混合相、正方晶+單斜晶的混合相、立方晶+正方晶+單斜晶的混合相等。其中，使主要的結(jié)晶相為正方晶或正方+立方晶的混合相，這從強(qiáng)度、韌性以及耐久性的觀點(diǎn)來(lái)看是最恰當(dāng)?shù)摹?br> 在由陶瓷構(gòu)成基板60的情況下，比較多的結(jié)晶粒構(gòu)成基板60，但為了提高基板60的機(jī)械強(qiáng)度，恰當(dāng)?shù)厥菇Y(jié)晶粒的平均粒經(jīng)為0.05～2μm，更加恰當(dāng)?shù)臑?.1～1μm。
另一方面，固定部68優(yōu)選由陶瓷構(gòu)成，可以與薄壁部66的材料為同一陶瓷，也可以不同。作為構(gòu)成固定部68的陶瓷，與薄壁部66的材料相同地，例如可以使用穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、尖晶石、多鋁紅柱石、氮化鋁、氮化硅、玻璃、以及這些的混合物。
特別地，在該電子發(fā)射元件10C中使用的基板60恰當(dāng)?shù)夭捎靡匝趸啚橹饕煞值牟牧?、以氧化鋁為主要成分的材料、或者以這些的混合物為主要成分的材料等。在這些材料中，最理想的為以氧化鋯為主要成分的材料。
此外，作為燒結(jié)輔助劑有時(shí)添加粘土等，但為了不過(guò)多地包含氧化硅、氧化硼等容易玻璃化的成分，需要調(diào)節(jié)輔助劑成分。其原因在于雖然這些容易玻璃化的成分利于使基板60和發(fā)射極部12接合，但也促進(jìn)基板60和發(fā)射極部12的反應(yīng)，難以維持規(guī)定的發(fā)射極部12的組成，其結(jié)果，成為使元件特性降低的原因。
即，基板60中的氮化硅等成分在重量比方向優(yōu)選限制在小于等于3％，更好的為限制在小于等于1％。這里，所謂主要成分是在重量比方面占據(jù)大于等于50％的比例的成分。
此外，所述薄壁部66的厚度和發(fā)射極部12的厚度優(yōu)選為相同位數(shù)的厚度。其原因在于當(dāng)薄壁部66的厚度比發(fā)射極部12的厚度極度厚時(shí)(相差1位或多于1位時(shí))，對(duì)于發(fā)射極部12的燒結(jié)收縮，薄壁部66產(chǎn)生妨礙該收縮的作用，因此發(fā)射極部12和基板6交界面處的應(yīng)力增大，容易分離。相反地，如果厚度的位數(shù)為相同的程度，則基板60(薄壁部66)容易追隨于發(fā)射極部12的燒結(jié)收縮，所以適合于一體化。具體地說(shuō)，薄壁部66的厚度優(yōu)選為1～100μm，更好的為3～50μm，進(jìn)一步好的為5～20μm。另一方面，發(fā)射極部12的厚度優(yōu)選為5～100μm，更好的為5～50μm，進(jìn)一步好的為5～30μm。
然后，作為在基板60上形成發(fā)射極部12的方法，可以使用絲網(wǎng)印刷法、浸漬法、涂布法、電泳動(dòng)法、等各種厚膜形成法；離子束法、噴濺法、真空蒸鍍法、離子電鍍法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、電鍍等各種薄膜形成法。
此外，作為電子發(fā)射元件10C的燒結(jié)處理，在基板60上依次層積了形成下部電極16的材料、形成發(fā)射極部12的材料以及形成上部電極14的材料之后成為一體化結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行燒結(jié)，每次分別形成發(fā)射極部12上部電極14以及下部電極16時(shí)進(jìn)行熱處理(燒結(jié)處理)，在每次分別形成下部電極16、發(fā)射極部12以及上部電極14時(shí)進(jìn)行熱處理(燒結(jié)處理)，由此可以和基板60成為一體。此外，根據(jù)上部電極14以及下部電極16的形成方法，有時(shí)也需要用于一體化的熱處理(燒結(jié)處理)。
作為用于使基板60、發(fā)射極部12上部電極14以及下部電極16一體化的燒結(jié)處理的溫度，可以設(shè)為500～1400℃的范圍，或更恰當(dāng)?shù)卦O(shè)為1000～1400℃的范圍。并且，在對(duì)膜狀的發(fā)射極部12進(jìn)行熱處理時(shí)，為了在高溫時(shí)發(fā)射極部12的組成不會(huì)變得不穩(wěn)定，優(yōu)選一邊與發(fā)射極部12的發(fā)熱源一起進(jìn)行氣團(tuán)控制一邊進(jìn)行燒結(jié)處理。
此外，可以采用由恰當(dāng)?shù)牟牧细采w發(fā)射極部12，該發(fā)射極部12的表面不直接露出燒結(jié)氣團(tuán)地進(jìn)行燒結(jié)的方法。此時(shí)，作為被覆蓋的材料，優(yōu)選使用與基板60相同的材料。
在該第三實(shí)施方式的電子發(fā)射元件10C中，雖然在燒結(jié)時(shí)發(fā)射極部12進(jìn)行收縮，但由于在該收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)空腔62的變形等被釋放，所以可以使發(fā)射極部12十分致密。由于發(fā)射極部12的致密度提高，在耐電壓性提高的同時(shí)，高效率地進(jìn)行在發(fā)射極部12的極化反轉(zhuǎn)以及極化變化，作為電子發(fā)射元件10C的特性提高。+在上述第三實(shí)施方式中，作為基板60使用了3層結(jié)構(gòu)的基板，但除此之外，如圖38的變形例的電子發(fā)射元件10Ca所示，可以使用省略了最下層的基板曾60A的2層結(jié)構(gòu)的基板60a。
此外，本發(fā)明的電子發(fā)射元件并不限于上述的實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下，當(dāng)然可以采用各種各樣的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種電子發(fā)射元件，其特征在于，具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)和施加用于電子發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓(Va)的第一電極(14)以及第二電極(16)，所述第一電極(14)形成在所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的第一面上；所述第二電極(16)形成在所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的第二面上，至少所述第一電極(14)具有露出所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的多個(gè)貫通部(20)，所述第一電極(14)中，所述貫通部(20)的周部(26)的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)相對(duì)的面(26a)與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)分離開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的至少所述第一面形成電介質(zhì)的晶界的凸凹(22)，所述第一電極(14)在所述電介質(zhì)的晶界的與凹部(24)對(duì)應(yīng)部分形成有所述貫通部(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的所述第一面，和所述第一電極(14)中所述貫通部(20)的周部(26)的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)相對(duì)的面(26a)所成的角的最大角度θ為1°≤θ≤60°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的所述第一面，和所述第一電極(14)中所述貫通部(20)的周部(26)的與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)相對(duì)的面(26a)之間的沿垂直方向的最大間隔d為0μm≤d≤10μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，在形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的所述第一面中，在與所述貫通部(20)對(duì)應(yīng)的部分存在有浮置電極(50)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述貫通部(20)是孔(32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述孔(32)的平均直徑為大于等于0.1μm，小于等于10μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述貫通部(20)是缺口(44)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述貫通部(20)是梳齒狀的缺口(44)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述缺口(44)的平均寬度大于等于0.1μm，小于等于10μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述貫通部(20)是任意形狀的縫隙(48)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述縫隙(48)的平均寬度大于等于0.1μm，小于等于10μm。
13.一種電子發(fā)射元件，其特征在于，具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)；與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的第一面相接合形成的第一電極(14)；和與所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的第二面相接合形成的第二電極(16)，至少所述第一電極(14)具有露出所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)的多個(gè)貫通部(20)，在電氣動(dòng)作中，在所述第一電極(14)和所述第二電極(16)之間形成由所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)構(gòu)成的電容器(C1)；由在所述第一電極(14)形成的所述多個(gè)貫通部(20)，在所述第一電極(14)和所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)之間構(gòu)成的多個(gè)電容器(Ca)的集合體(C2)。
14.一種電子發(fā)射元件，其特征在于，在具有電子發(fā)射部的電子發(fā)射元件中，通過(guò)施加負(fù)電壓，隨著電子的積蓄變化成正電荷的量和負(fù)電荷的量平衡的狀態(tài)(第一狀態(tài))，隨著進(jìn)一步的電子的積蓄，變化成負(fù)電荷的量多于正電荷的量的狀態(tài)(第二狀態(tài))，從所述第二狀態(tài)開(kāi)始，通過(guò)施加正電壓，隨著電子的發(fā)射變化為正電荷的量和負(fù)電荷的量平衡的狀態(tài)(第三狀態(tài))，隨著進(jìn)一步的電子的發(fā)射，在變化成正電荷的量多于負(fù)電荷的量的狀態(tài)的情況下，在將用于變化成所述第一狀態(tài)的施加電壓設(shè)為V1、將用于變化成所述第三狀態(tài)的施加電壓設(shè)為V2時(shí)，有|V1|＜|V2|的特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，1.5×|V1|＜|V2|。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，在將第一狀態(tài)的正電荷的量和電子的量的變化比例設(shè)為ΔQ1/ΔV1、將第三狀態(tài)的正電荷的量和電子的量的變化比例設(shè)為ΔQ2/ΔV2時(shí)，為(ΔQ1/ΔV1)＞(ΔQ2/ΔV2)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為V3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為V4時(shí)，為1≤|V4|/|V3|≤1.5。
18.一種電子發(fā)射元件，其特征在于，在具有由電介質(zhì)構(gòu)成的形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)、施加用于電子發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓(Va)的第一電極(14)和第二電極(16)的電子發(fā)射元件中，在把通過(guò)在所述第一電極(14)和所述第二電極(16)之間施加向一方向的電壓，所述形成發(fā)射極的物質(zhì)(12)從向一方向極化的狀態(tài)變化成極化反轉(zhuǎn)的狀態(tài)的電壓設(shè)為第一抗電壓v1；并把從該狀態(tài)通過(guò)施加向另一方向的電壓，極化再次變化成所述一方向的電壓設(shè)為第二抗電壓v2時(shí)，具有v1＜0或v2＜0，|v1|＜|v2|的特性。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，1.5×|V1|＜|V2|。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，在將施加了所述第一抗電壓時(shí)的極化變化比例設(shè)為Δq1/Δv1，將施加了所述第二抗電壓時(shí)的極化變化比例設(shè)為Δq2/Δv2時(shí)，(Δq1/Δv1)＞(Δq2/Δv2)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，在設(shè)電子為積蓄飽和狀態(tài)的電壓為v3，開(kāi)始電子發(fā)射的電壓為v4時(shí)，為1≤|v4|/|v3|≤1.5。
全文摘要
電子發(fā)射元件(10A)具有由電介質(zhì)構(gòu)成的發(fā)射極部(12)、施加用于電子發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓(Va)的上部電極(14)以及下部電極(16)，上部電極(14)形成在發(fā)射極部(12)的上表面，下部電極(16)形成在發(fā)射極部(12)的下表面，上部電極(14)具有露出發(fā)射極部(12)的多個(gè)貫通部(20)，上部電極(14)中貫通部(20)的周部(26)的與發(fā)射極部(12)相對(duì)的面與發(fā)射極部o(12)分離開(kāi)。
文檔編號(hào)H01J1/312GK1879184SQ200580000709
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者武內(nèi)幸久, 七瀧努, 大和田巖, 赤尾隆嘉 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社