전자 방출 소자 document_id A220623041449

다이오드 및 삼극관 소자들은 전자공학 분야에서 널리 사용되어 왔다. 한 분류의 이러한 소자들은 진공 마이크로일렉트로닉스의 법칙, 즉, 그 소자들의 작동은 진공상태에서 전자들의 탄도운동에 기초한다는 법칙을 활용한다[Brodie, 제1회 국제 진공 마이크로일렉트로닉스 회의 기조 연설, 1998년 6월, IEEE Trans. Electron Divicees, 36, 11 pt. 2 2637,2641(1989);I.Brodie, C.A Spindt,"Advances un Electronics and Electron Physics", vol. 83(1992), p. 1-106]. 진공 마이크로 일렉트로닉스의 법칙에 따르면 전자들은 (1V/nm를 초과하는) 매우 높은 전기장이 국소적으로 인가될 때 전자들이 전계방출에 의하여 음극 전극으로부터 방출되어 전위장벽을 뚫고 나간다 [R.H.Fowler,L.W.Nordheim,Proc.RoyalSoc.London A119(1928),p .173]. 미합중국 특허 제5,834,790호는 전계방출 냉음극을 가지는 진공 마이크로소자에 관하여 개시하고 있다. 이 소자는 첫 번째 전극과 두 번째 전극을 포함하고 있다. 첫 번째 전극은 날카로운 말단부를 가지는 사출부를 갖고 있다. 절연막이 사출부의 날카로운 말단부을 제외한 첫 번째 전극의 영역에 형성이 된다. 두 번째 전극은 사출부의 날카로운 말단부를 제외한 절연막 상의 영역에 형성이 된다. 구조화된 회로기판은 첫 번째 전극소자의 하부 표면에 결합이 되어 있고, 첫 번째 전극의 하부표면 과의 결합 면에 휴지부(recess)를 갖고 있다. 휴지부는 첫 번째 전극의 하부표면상에 형성된 사출부분의 날카로운 말단부 반전시키는 휴지부를 커버 할 정도로 충분히 큰 크기를 가진다. 구조 회로기판에 형성된 휴지부의 내부는 소자의 외부 환경과 소통을 한다. 지지구조가 첫 번째 전극 상에 형성된 각 사출부를 감싸기 위하여 두 번째 전극의 표면상에 형성된다. 이러한 구조를 이용하여 빈 공간들로 인한 특성의 변형을 억제하고 뛰어난 장기적인 안정성을 제시할 수 있는 진공 마이크로 소자가 제공될 수 있다. 다른 하나의 분류인 삼극관들(트랜지스터들)은, 전하운반체들(charge carriers)은 고체 안에서 구속되어 있고 격자들의 상호작용에 의하여 약화 된다는 "고체마이크로일렉트로닉스"의 법칙에 기초한 반도체 소자들이다[S.M.Sze, Physics of semiconductor devics, Interscience, 2판,뉴욕]. 이와 같은 소자들에서 전류가 반도체 내에서 전도되어서 전자의 이동 속도가 결정 격자들 또는 그 안의 불순물들에 의하여 영향을 받는다. 반도체에 기초하는 능동 전자소자들의 주요한 단점은 전자들의 이동이 반도체 결정 격자들에 의하여 지체된다는 것이며. 이러한 단점으로 인해 이와 같은 소자들의 소형화(miniaturization)와 스위칭(switching)속도를 제한된다. 진공 마이크로전자 소자들은 고체 마이크로전자 소자들에 비하여 잠재적인 장점이 있다. 진공 마이크로전자 소자들은 (온도나 복사 같은)적대적인 환경조건에 대한 높은 적응능력이 있다. 오직 금속과 유전체에만 기초하므로 이 소자들은 전자들의 속도가 격자와의 상호작용에 의해 제한되지 않으므로 매우 높은 동작 주파수를 얻을 수 있다[T.Utsumi, IEEE Trans. Electron Devices, 38,10,2276 (1991)]. 일반적으로, 진공 마이크로전자 소자들은 다음의 뛰어난 출력회로(동력전달)특성을 가진다: 낮은 출력 전도율, 높은 전압 및 ,높은 전력 처리능력. 그러나 다음과 같은 그들의 입력 회로(제어회로)특성은 상대적으로 좋지않다: 그들은 낮은 전류 처리 능력, 낮은 트랜스컨덕턴스, 높은 변조/턴-온 전압과 좋지 않은 노이즈 특성. 결과적으로, 이 분야의 수많은 연구 노력에도 불구 하고, 이 같은 소자는 Rf 신호증폭기 및 소스로서 매우 극소수의 응용분야만 존재한다[S.Iannazzo, Solid State Electronics, 36, 3, 301 (1993)]. 대부분 현재의 전자장치는 실리콘 또는 화합물 반도체 기반구조로부터 만들어진 소자들에 기초한다. 이 소자들의 고유저항 때문에 소자를 통한 전자의 전도시 열이 발생 된다. 이러한 발열이 주어진 영역당 집적회로 내의 트랜지스터 수를 극대화하려는 시도의 주된 장애물이다. 마이크로팁 형태의 진공 트랜지스터들을 이용하는 반도체 소자들은 개발되어 왔다. 여기에서 전자들은 진공 내이므로 가장 빠른 속도로 움직인다. 그러므로 진공 트랜지스터들은 극단적 속도로 작동될 수 있다. 그러나, 불안정하고 상대적으로 짧은 수명을 갖고 있으며, 그리고 그들의 동작을 위해 상대적으로 높은 전압을 요구하는 단점을 갖고있다. 미합중국 특허 제6,437,360호는 진공 전계 트랜지스터(Vacuum Field Transistor(VFT))를 제시하면서 MOSFET과 같은 평판 수직 트랜지스터 구조를 개시하고 있으며 VFT에서는 전자들이 진공 자유 공간을 돌아다니며 이로 인해 이 구조를 활용하는 소자의 고속동작을 가능하게 한다. 평판 타입의 구조는 도체들로 이루어진 소스와 드레인에 의하여 형성되는데, 이것은 진공 채널을 가지는 얇은 채널 절연체 간에 미리 정해진 거리에 있다; 소스와 드레인 아래에 일정너비로 형성된 도체들로 구성된 게이트, 소스와 드레인으로 부터 게이트를 절연하는 기능을 수행하는 채널 절연체; 그리고 채널 절연체와 게이트를 받치기 위한 기초로서의 절연된 몸체. 진공전계트랜지스터는 드레인과 진공채널 사이,및 소스와 진공채널 사이의 접촉영역에 낮은 작동기능 재료를 포함한다. 수직타입 구조는 빈공간 중앙에 전도성, 연속성이 있는 원형 소스를 포함하는데 채널 절연체 상에 형성된다: 채널 절연체 아래에 형성된 전도성이 있는 게이트가 소스까지 이어져 있는 전도성이 있는 게이트: 채널 절연체와 게이트를 지지하기 위한 기초로 제공되는 절연 몸체: 폐쇠 된 진공채널을 형성하는 소스 위에 있는 절연 벽들: 진공채널 위에 형성된 드레인. 전자들이 소스로부터 진공채널을 통과하여 드레인으로 방출되어 전기장을 형성할 수 있도록 하기 위하여 두 개 타입 모두 적당한 바이어스 전압이 게이트,소스와 드레인에 인가된다. 영국특허번호 제347544호는 가스 또는 증기로 충전된 포토 일렉트릭 셀을 개시하고 하고 있다. 셀은 충전물 내의 전자의 자유 경로와 같거나 적은 음극으로부터의 거리에 격자를 가지고 있다. 양극은 빛이 통과하는 링으로 구성되어 있다. 전자들을 음극으로 돌아가지 못하게 하기 위하여 격자가 10 볼트보다 크지않은, 그리고 바람직하게는 1 내지 5볼트인 전위차로 상승된다. 충전물은 1 밀리미터의 수은 증기압에서의 아르곤 또는 네온일 수 있다. 미합중국특허번호 제4,721,885호는 아주 높은 속도의 통합된 마이크로 전자 튜브를 개시하고 있다. 마이크로 전자 튜부의 배열 장치는 판 모양의 기판을 포함하고, 기판 상에 바늘 모양의 음극 전극들이 위치한다. 배열 장치 내의 각 튜브는 음극 전극으로부터 공간적으로 떨어진 양극 전극을 포함한다. 각 튜브는 대략 대기압 1/100과 1사이의 압력의 가스를 포함하고 있고, 음극 전극들과 양극 전극들의 말단부 사이의 공간은 0.5 마이크로 미터와 같거나 작다. 튜브들은 음극 및 양극 전극들 사이의 가스 내에서 움직이는 전자들의 평균 자유 경로가 음극 전극 및 연관된 양극 전극의 말단부 사이의 공간보다 같거나 크도록 하는 전압에서 동작한다. 미합중국특허번호 제4,990,766호는 고체 상태 전자 증폭기를 개시하고 있다. 이 미세전압 제어 전계 방출 전자 증폭기 소자는 소자의 전계 방출 전류를 변조하고 제어하도록 이용되는 개별적인 음극 임피던스를 가지고 있는 전계 방출 음극들의 밀집한 배열 장치로 구성되어 있다. 이러한 임피던스들은 빛, X-레이, 적외선 복사 또는 분자 충격(particle bombardment)와 같은 외부 자극에 민감하도록 선택되어서, 전계 방출 전류가 제어용 자극의 강도에 비례하여 공간적으로 변동한다. 상기 소자는 인화 스크린(phosphorus screen) 또는 다른 적당한 반응 요소가 제공될 때 고체 상태 이미지 변환기 또는 강화기로서 기능을 할 수 있다. 국제특허번호 제WO 96/10835호는 감광 표면(photosensitive surfaces) 상의 인쇄를 위한 광학 프린터의 전계 방출 CRT를 활용하는 프린트 헤드를 개시하고 있다. 양극 아퍼츄어(aperture) 내에서 원추형을 방출하는 음극으로 이루어진 복수 개의 작은 전자 집합들은 순환 대기 내의 전자의 평균 자유 경로보다 작은 간격을 형성하고 상기 집합들은 바람직하게는 본질적으로 열로 나뉜(columnated) 광선을 형성하도록 가깝게 위치한다. 제3의 전극은 바람직하게는 음극과 분리된 상기 광선을 가속하고 마무리한다. 상기 광선은 이후에 형광체 막(luminophor film)으로 입사되어, 여기되고 그로 인해 빛을 생성하게된다. 상기 빛은 광섬유 면판과 같은 전달 면판(transmissive face plate)을 통하여 전달되어 감광 재료로 입사된다.