一種恒流發射的場致發射電子源制造技術

本發明專利技術公開了一種恒流發射的場致發射電子源，包括基本發射單元，若干個該基本發射單元組成各種所需陣列，所述基本發射單元由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成或者由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組成。本發明專利技術在傳統的場致發射電子源中引入恒流二極管，使得這種新型電子源的發射電流范圍限定在安全范圍內或者工作在恒定電流值上，以提高場致發射的均勻性和穩定性；同時恒定電流值可以通過工藝參數進行控制以滿足不同的應用需求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及真空電子器件
，具體涉及一種恒流發射的場致發射電子源。
技術介紹
真空電子器件現在正呈快速發展趨勢，市場需求的日益增大，特別是微型化真空電子器件和集成真空電子器件是目前發展的重點方向。場發射電子源在低溫或者室溫下工作，與電真空器件中的熱電子源相比既有能耗低、響應速度快、亮度高、電子束品好等優點，可以大幅度提高真空電子器件的性能。場致發射陰極，是利用電子隧穿效應，在導體表面施加強電場，使其表面勢壘降低并減薄，從而導致電子發射 的陰極。陰極場發射材料是場致發射中最關鍵的材料，其性能決定了陰極的場發射性能。由于場致發射電子源制備工藝限制或者材料本身的缺陷，場致發射陣列中每個場發射單元存在差異，例如Spindt場致發射陣列中尖錐高度不一致、尖端曲率半徑不一致、發射單元晶格缺陷不一致、陰極發射材料形狀差異等；再如碳納米管長度不一致、筆直度不一致、晶格缺陷不一致、碳納米管徑不一致等；以及場發射體與襯底附著性能差異等，致使在施加同等電場強度下，場發射陣列單元之間的發射特性將會有差異。對于大面積的場致發射電子源，在相同的場強下，有的發射單元已經發射較高電流，而有些單元發射電流非常低甚至還沒有電流發射，整個發射面會出現發射不均勻。由場致發射的1-V特性(如圖1中FE曲線)可知，在閾值電壓后，施加的電場強度微小的增加將導致場發射單元的發射電流巨大增加。為了獲得較大的總發射電流，希望所有發射單元都能發射出較大電流，故要求外加電壓較高以獲得足夠的場強。而強電場將會導致有些場致發射單元電流發射異常大。當電子源發射電流過大時，將使場致發射單元本身損壞，或者使得場致發射單元與襯底接口處產生大量焦耳熱，如果積累的熱量得不到及時的擴散，將會嚴重影響電子源發射特性和穩定性，甚至燒毀接口處，導致局部場發射單元完全失效，嚴重者誘發打火、擊穿等現象，使電子源甚至整個器件徹底損壞。綜上所述，目前場致發射存在局部場發射單元電流過大易燒毀、發射穩定性差、發射均勻性差等缺點。恒流二極管是一種半導體恒流器件，能在很寬的電壓范圍內輸出恒定的電流，并有很高的動態阻抗；由于其溫度特性好、結構簡單和使用方便等特點，目前被廣泛用于恒流源、穩壓源、放大器以及電子儀器的保護電路中。因此，將恒流二極管良好的恒定電流特性應用到場致發射電子源中，將可克服局部場發射單元電流過大燒毀、發射穩定性差等缺點，同時在整個發射面上可以獲得均勻的發射電流。
技術實現思路
針對上述現有技術，本專利技術要解決的技術問題是現有的場致發射電子源中在相同場強下不同場發射單元發射電流存在差異和承受極限發射電流差異的不足，特別是克服在較高工作電壓下，局部場致發射單元發射電流過大或者超過極限發射電流而燒毀的缺點。為了解決上述 技術問題，本專利技術采用如下技術方案 一種恒流發射的場致發射電子源，其特征在于，包括基本發射單元，若干個該基本發射單元組成各種所需陣列，所述基本發射單元由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成或者由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組組成。由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成的發射單元,其最大發射電流為恒流二極管的最大恒流值；由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組成的發射單元，其發射電流為若干個場致發射體的發射電流之和，并且最大發射總電流受到串聯的恒流二級管控制。作為本專利技術進一步地說明，所述發射單元為二極管型結構(如圖2所示)或三級管型結構(如圖3所示)，二極管型結構的發射單元包括導電基底、恒流二極管、場致發射體，所述場致發射體的底端與所述恒流二極管的陽極相連，恒流二極管和場致發射體構成一個整體結構作為一個場發射單元；三級管型結構的發射單元包括導電基底、恒流二極管、場致發射體、絕緣層和柵極，所述場致發射體的底端與所述恒流二極管的陽極相連，恒流二極管、場致發射體、絕緣層和柵極構成一個整體結構作為一個場發射單元。作為本專利技術進一步的說明，所述恒流二極管采用源柵短路結型場效應晶體管。所述源柵短路結型場效應晶體管包括η溝道結型場效應晶體管、P溝道結型場效應晶體管。所述場致發射體由金屬材料或碳納米管材料或石墨烯材料或半導體材料或金剛石材料或類金剛石材料或導電聚合物材料制備而成；金屬材料最優為鶴W、鑰Mo、鉭Ta,半導體材料最優為砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN、碳化娃SiC,導電聚合物材料最優為導電聚苯胺、聚合物-聚辛烷基取代聚吩薄膜。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果 一、利用恒流二極管恒流特性，使得本專利技術的場致發射電子源的各個發射單元的最大發射電流限定在恒定電流值上，使發射單元不會因外加電壓的提高而導致發射電流過大損壞、燒毀等問題，大面積的場致發射均勻性得到大大改善。特別地，場致發射電子源工作在安全區域，因而電子源的穩定性和壽命大大提高； 二、恒流二極管的恒電流值可以通過結型場效應管的參數來設定，如溝道長度、寬度、摻雜濃度等，以滿足不同的應用需求。附圖說明圖1為電流-電壓特性曲線示意圖，其中CRD為恒流二極管的1-V特性曲線，FE為場致發射的1-V特性曲線。圖2為具有恒流二極管的場致發射電子源的1-V特性曲線。圖3為具有恒流二極管的二極管型場致發射單元示意圖，其中13為導電基底、14為恒流二極管、15為恒流二極管陽極、16為場致發射體。圖4為具有恒流二極管的三極管型場致發射單元示意圖，其中13為導電基底、14為恒流二極管、15為恒流二極管陽極、16為場致發射體、17為絕緣體、18為柵極。圖5為具有源柵短路η溝道結型場效應管和碳納米管陣列的二極管型場發射電子源結構示意圖，為典型的多個場致發射單元共用I個恒流二極管的電子源結構；由1-8構成源柵短路η溝道結型場效應管，碳納米管的一端與場效應管的漏極相連；為前述中的多個場致發射單元共同受控于I個恒流二極管結構。圖6為具有源柵短路η溝道結型場效應管和Spindt型的二極管型場發射電子源結構示意圖，為典型的I個場致發射單元連接I個恒流二極管的電子源結構。由1-8構成源柵短路η溝道結型場效應管，發射尖錐的底端與場效應管的漏極相連。為前述中的I個場致發射單元受控于I個恒流二極管結構。圖7為具有源柵短路η溝道結型場效應管和場發射單元為單根碳納米管或者單個碳納米管束的二極管型場發射電子源結構圖；由1-8構成源柵短路η溝道結型場效應管，碳納米管的一端與場效應管的漏極相連；為前述中的I個碳納米管場致發射單元受控于I個恒流二極管結構。圖8為具有漏極延伸到絕緣層上的源柵短路η溝道結型場效應管和場發射單元為碳納米管陣列的二極管型場發射電子源結構圖；由Γ8構成源柵短路η溝道結型場效應管，碳納米管陣列的一端與延伸到絕緣層上面的場效應管漏極相連；為前述中的多個場致發射單元共同受控于I個恒流二極管結構。圖9為具有源柵短路η溝道結型場效應管和場發射單元為碳納米管陣列的三極管場發射電子源結構示意圖；由Γ8構成源柵短路η溝道結型場效應管，碳納米管的一端與場效應管漏極；為前述中的多個場致發射單元共同受控于I個恒流二極管結構。圖10為具有源柵短路η溝道結型場效應管和Spindt型場發射單元的三極管型場發射電子源結構示意圖，由Γ8構成源柵短路η溝道結型場效應管，發射尖錐的底端與場效應管的漏極相連；為前述中的I個場致發射單元受控于I個恒流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種恒流發射的場致發射電子源，其特征在于，包括基本發射單元，若干個該基本發射單元組成各種所需陣列，所述基本發射單元由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成或者由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組組成。

【技術特征摘要】
1.一種恒流發射的場致發射電子源，其特征在于，包括基本發射單元，若干個該基本發射單元組成各種所需陣列，所述基本發射單元由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成或者由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組組成。2.根據權利要求1所述的恒流發射的場致發射電子源，其特征在于，由一個場致發射體和一個恒流二級管串聯組成的基本發射單元，其最大發射電流為恒流二極管的最大恒流值；由若干個場致發射體并聯后再與一個恒流二級管串聯組成的發射單元，其發射電流為若干個場致發射體的發射電流之和，并且最大發射總電流受到串聯的恒流二級管恒流值控制。3.根據權利要求1或2所述的恒流發射的場致發射電子源，其特征在于，所述基本發射單元為二極管型結構或三級管型結構，二極管型結構的發射單元包括導電基底、恒流二極管、場致發射體，所述場致發射體的底端與所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳澤祥，王智慧，唐寧江，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：