驱动电子发射装置、电子源和成像装置的方法和电路的制作方法

专利名称：驱动电子发射装置、电子源和成像装置的方法和电路的制作方法
1.发明领域本发明涉及一种驱动电子发射装置、电子源和成像装置的方法。
2.相关技术按照惯例业已公知了两种类型的电子发射装置，它们是热阴极发射电子源和冷阴极发射电子源。冷阴极发射电子源包括电场发射型(此后称为FE型)装置，金属/绝缘层/金属型装置(此后称为MIM型)和表面传导电子发射装置。
由W.P.Dyke和W.W.Dolan在“Field Emission”，Advance in Electronicsand Physics，8，89(1956)中和C.A.Spindt在“Physical Properties ofThin-Film Field Emission Cathodes with Molybdenium Cones”，J.Appl.Phys.，47，5248(1976)中公开了FE型电子发射装置的例子。
在C.A.Mead等人的论文“Operation of Tunnel-Emission Devices”，J.Apply.Phys.，32，646(1961)中公开了MIM型的电子发射装置。
另外，在Toshiaki Kusunoki等人的论文“Fluctuation-Free ElectronEmission from Non-Formed Metal-Insulator-Metal(MIM)CathodesFabricated by Low Current Anodic Oxidation”，Jpn.J.Appl.Phys，vol.32(1993)pp.L1695和Mutsumi Suzuki等人的论文“An MIM-Cathode Array forCathode Luminescent Display”，IDW’96，(1996)pp.529中公开了新近的例子。
M.I.Elinson在Radio Eng.Electron Phys.，10，(1965)报告了一种表面传导电子发射装置的例子。表面传导电子发射装置利用了以下现象当允许电流平行地向基板上形成的、面积很小的薄膜流动时会发射出电子。
虽然Elinson建议对该类型的装置使用SnO2薄膜，但也有人建议使用Au薄膜(G.Dittmer，Thin Solid Film，9，317(1972))和使用In2O3/SnO2薄膜(M.Hartwell和C.G.Fonstad，IEEE Trans.ED Conf.，519(1983))。
发明概述这些电子发射装置应用到诸如显示装置的成像装置时需要足够发射电流使荧光物质发出足够亮度的光。此外，为获得高清晰度的成像装置，必需使辐射到荧光物质上的电子束的直径很小。进一步来说，重要的是容易制造电子发射装置。
传统FE型电子发射装置例子是Spindt型电子发射装置。Spindt型电子发射装置通常具有以下结构将微芯片作成发射点，电子从微芯片尖端发射。
利用该结构，如果发射电流密度增加到使荧光物质发出光，将引起微芯片电子发射区域的热损伤，这会限制电子发射装置的寿命。另外，由于栅电极形成的电场作用，会使从微芯片尖端发射的电子束直径趋向于增大，从而难于减小电子束的直径。
基于FE型电子发射装置的这些缺点，业已建议了各种技术。
为了防止电子束直径增大，一种技术是在电极发射区域设置聚焦电极。利用该结构，通过聚焦电极的负电位减小了发射电子束直径。该技术比较通用，但其制造工艺变得复杂，从而增加了制造成本。
另一种技术是通过去除Spindt型电子发射装置的微芯片以缩小电子束直径。在日本专利申请公开平8-096703号和日本专利申请公开平8-096704中描述了该技术的示例。
利用该技术从孔内设置的薄膜发射电子。在该情况下，在薄膜的电子发射表面上形成平坦的等电位面，借此缩小电子束直径。
此外，通过利用具有低逸出功的结构材料作为电子发射物质，即使未形成微芯片也能使电子发射成为可能。结果，驱动电压可以很低。也能相对容易地制造电子发射装置。
此外，在平面区域进行电子发射，这样就不会在特定区域发生电场的过度集中。结果，就不会发生薄膜受损，也就保证了电子发射装置的长寿命。
在该FE型的电子发射装置中，通过靠近电子发射物质设置的栅电极将对电子发射所必需的电场(按照惯例，在Spindt型的情况下为1×108V/m到1×1010V/m)施加于电子发射物质，所述电子发射物质通常与阴极电极连接。通过这种方式在FE型电子发射装置中实现了电子发射。
此外，通常来说，由电子发射装置发射的电子被设置在电子发射装置与阳极电极之间的电场加速，所述阳极电极将阳极电压施加到电子发射装置上，该阳极电极设置在电子发射装置上。通过该方式将足够的能量提供给被发射的电子。由阳极电极捕获到达阳极电极的电子，并将其转换成放射电流。
通常，在该操作过程中，将施加给栅电极的调制电压设定在几十伏到几百伏的范围内，同时将施加给阳极的电压设定在几百伏到几十千伏的范围内。也就是说，阳极电压是施加给栅电极的调制电压大小的几十到几百倍。
因此，通常通过调制阴极电极与施加了较低调制电压的栅电极之间的电压来实现对电子发射装置电子发射的ON/OFF控制。
在日本专利申请公开平8-096703中公开了一种控制电子发射装置的方法的例子。该方法示于

图17中。
利用图17中所示的控制方法，以时间划分方式调制RGB的阳极电压Va，使其显示彩色图象。然而，从根本上说，使施加给阳极电极的电压保持恒定大小(500V)，调制施加给阴极电极的阴极电压Vc和施加给栅电极的栅电极电压Vg(20V)，以便获得图象显示信号。另外，在OFF阶段，其间应当终止装置的电子发射，将施加给阴极电极和栅电极的两个电压(它们具有相同电位)设定为0V。进一步说，将阴极电极与阳极电极之间的距离设定为300um。
在此应当注意的是，在成像装置中的阳极电极上形成了作为成像元件的荧光物质，可以期望的是，随着阳极电压Va的增加提高了光发射效率并提高了成像装置的亮度。由此，更为优选的是将阳极电压Va设定在几千伏到几十千伏的范围内。
另外，在将阳极电压Va保持恒定值的情况下，优选的是缩短阳极电极与阴极电极之间的距离以缩小电子束直径。然而，为了不太困难地获得装置内的真空和防止放电，应当避免不加选择地缩短距离。
因此，对于实现高清晰度的成像装置来说，阳极电压Va的大小和阴极电极与阳极电极之间的距离都是重要方面。
另外，除了日本专利申请公开平8-096703中公开的例子外，近来，通过形成具有低逸出功的电子发射材料的电子发射区域减少成像装置的电力消耗以降低驱动电压。
由此，将电子发射所需的电场降低到5×107V/m或更低。
如果增加阳极电压，阳极电极和电子发射装置之间施加的电场就会增加。结果，在一些情况下会对电子发射特性产生不利影响。
在上述日本专利申请公开平8-096703所公开的例子的情况下，据粗略估计，阳极电极与装置之间施加的电场平均强度Ea变为2×106V/m，其中阳极电压除以阴极电极与阳极电极之间的距离为电场平均强度。该强度接近于电子发射所需的电场强度(2×107V/m或更低)，两者之间的差值仅为一个数量级或更大一些。
因此，在将高电压施加给阳极电极或缩短阴极电极与阳极电极之间距离的情况下，由装置与阳极电极形成的电场强度得到增强，从而会影响电子发射。
在装置与阳极电极形成的电场得到增强的情况下，即使在不应当进行电子发射的OFF阶段将相同电势施加给阴极电极和栅电极以终止电子发射，电子发射也不会完全消除，在某种情况下还会发射电子。
由于电子发射装置的结构和制造方法，该问题变得更加严重。
如果利用下面的这种装置构造成像装置其即使在OFF阶段也发射电子，在OFF阶段应当处在OFF状态(黑暗状态)的象素会处于ON状态(光发射状态)，从而降低了装置产生的图象对比度。
本发明就是根据传统技术的上述问题作出的，本发明的一个目的是提供驱动电子发射装置、电子源和成像装置的方法，通过该方法能有效终止电子发射。本发明的目的也是提供电子源和成像终止的驱动电路，通过该电路能实现该驱动方法。本发明的目的进一步是提供包括这些驱动电路的电子源和成像装置。
为到达上述目的而作出的本发明涉及驱动电子源的方法，所述电子源设置得与阳极电极相对，其特征在于该方法包括包括多个电子发射装置的电子源，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和阴极电极上设置的电子发射膜；以及如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg；将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应发射电子的每个电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应发射电子的电子发射装置以外的每个电子发射装置。
另外，本发明涉及驱动电子发射装置的方法，将该电子发射装置设置得与阳极电极相对，特征在于该方法包括电子发射装置包括栅电极，其设置在阳极电极上；在栅电极与阳极电极二者之间设置了绝缘层；电子发射膜，其设置在阴极电极表面区域，该表面区域位于由绝缘层和栅电极构成的孔内；以及；如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg；将符合每件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
另外，本发明涉及一种驱动电子发射装置的方法，所述电子发射装置设置得与阴极电极相对，该方法特征在于该方法包括电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜；以及；如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将栅电极与阴极电极之间的距离称为h，将阳极电极与电子发射装置之间的距离称为H；满足条件{(Vg-Vc/h)}/(Va/H)≤100，将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
另外，本发明涉及一种驱动电子发射装置的方法，将该装置设置得与阳极电极相对，特征在于该方法包括电极发射装置包括设置在栅电极上的阴极电极，在二者之间有一绝缘层；设置在阴极电极上的电子发射膜；以及如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg；将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
另外，本发明涉及一种驱动电子源的驱动电路，将该装置设置得与阳极电极相对，特征在于驱动电路包括电子源包括多个电子发射装置，每个电子发射装置都包括阴极电极、栅电极和阴极电极上设置的电子发射膜以及驱动电路包括将电压Vc施加给阴极电极和将电压Vg施加给栅电极的装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子发射装置以外的每个电子发射装置。
另外，本发明涉及一种电子源，该电子源设置得与阳极电极相对，特征在于它包括上述电子源的驱动电路。
另外，本发明涉及一种驱动成像装置的驱动电路，所述成像装置包括阳极电极和电子源，电子源设置得与阳极电极相对，特征在于驱动电路包括电子源包括多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和阴极电极上设置的电子发射膜；将电压Vc施加给阴极电极和将电压Vg施加给栅电极的装置；以及将电压Va施加给阳极电极的装置；而且将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子发射装置以外的每个电子发射装置。
另外，本发明涉及成像装置，特征在于它包括阳极电极；电子源，其设置得与阳极电极相对；以及与上述成像装置相应的驱动电路。
另外，本发明涉及一种制造成像装置的方法，所述成像装置包括阳极电极和设置得与阳极电极相对的电子源，特征在于该方法包括以下步骤制备一后面板，在该板上设置多个电子发射装置，每个电子发射装置都包括阴极电极、栅电极和阴极电极上设置的电子发射膜；制备一面板，该面板包括阳极电极和光发射元件；连接面板和后面板，以便在面板与后面板之间形成空间，保持面板与后面板之间空间的真空；以及将驱动电路电连接到多个电子发射装置上，其中，如果将施加给阴极电极的电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子发射装置以外的每个电子发射装置。
利用本发明的驱动方法，在终止状态的阴极电极与栅电极之间形成的电场变得与处于驱动状态的二者之间形成的电场相反，从而能容易地削弱指向阳极电极的电场，并能有效地抑制终止状态中的电子发射。
因比，即使向其施加很高的阳极电压并缩短阴极电极与阳极电极之间的距离，也就是说，即使由阳极向电子发射装置施加的电场平均强度Ea接近于施加给阴极电极与栅电极之间的电场平均强度Eg，也能适当地控制电子发射装置。
在本发明的电子源中，抑制了处于终止状态下的每个电子发射装置产生的电子发射，由此实现了高性能。
在本发明的成像装置中，抑制了处于终止状态中的每个电子发射装置产生的电子发射，由此可防止应当处于OFF(黑暗)状态的象素处于ON(光发射)状态的情况的发生。这样可以防止对比度下降，并能实现高质量成像。
附图的简要说明在附图中图1A和1B表示依照本发明实施例的电子发射装置的结构；图2A和2B表示依照本发明实施例的电子发射装置的驱动方法；图3表示依照本发明实施例的电子发射装置的驱动条件；图4A和4B表示依照本发明实施例的电子发射装置的另一个驱动条件；图5A和5B表示依照本发明实施例的电子发射装置的再一个驱动条件；图6A到6F表示依照本发明实施例的制造电子发射装置的示例方法；图7表示依照本发明实施例的电子源示例；图8示意性表示依照本发明实施例的电子源结构，所述电子源具有无源矩阵结构(passive matrix configuration)；图9示意性地表示依照本发明实施例的成像装置的结构，所述成像装置利用了具有无源矩阵结构的电子源；图10A和10B每个都表示依照本发明的实施例在成像装置中设置的荧光膜；
图11是表示依照本发明实施例的成像装置的驱动电路示例的方框图；图12A是表示依照本发明实施例的控制操作的示例时间图，图12B是表示所加驱动电压的示例；图13A到13C表示依照本发明第六实施例的电子发射装置；图14A和14B表示依照本发明第七实施例的电子发射装置；图15A和5B表示依照本发明第八实施例的电子发射装置；图16A和16B表示依照第八实施例的电子发射装置的特性；图17示意性地示出了控制成像装置的传统方法的示例。
优选实施例的详细描述下面将参照附图示范性地描述实施本发明的优选实施例。应当注意的是，除非另外指明，在尺寸、材料、形状、相对位置以及下述部件的其它方面，将不打算限制本发明的范围。另外，除非另外指明，在后面描述的诸如施加给阴极电极、阳极电极和栅电极的驱动波形和电压方面，将不存在对本发明范围的限制。在该说明书中应当注意的是，电压是指与参考电位“0V”的电势差。
图1A和1B是利用根据本发明的电子发射装置控制方法控制的装置中具有最基础结构的电子发射装置的示意图。图1A是电子发射装置的横断面示图，而图1B是从电子发射装置上面观察的俯视图。
在图1A和1B，参考标记1表示基板；标记2是在基板1上布置的阴极电极；标记3是夹在阴极电极2和栅电极4之间的绝缘层；标记4是栅电极。另外，标记5表示用作电子发射部分的电子发射层，该发射层设置在一个孔的底面上，所述孔为圆形开口形状，它穿透了栅电极4和绝缘层3。
底面上设有电子发射层(电子发射膜)5的孔的开口宽度为W1，其在栅电极4表面与电子发射层5之间的深度为h1。利用这些部件构造了依照本发明的电子发射装置。
利用该结构，利用电源6分别调制阴极电压Vc和栅极电压Vg，并分别将它们施加给阴极电极2和栅电极4。通过这种方式，将电压(Vg-Vc)施作阴极电极2与栅电极4之间的驱动电压。
阳极电极7设置在电子发射装置上面，通过高压电源8将阳极电压Va施加给阳极电极7。阳极电极7捕获从电子发射装置发射出的电子并检测电子发射电流Ie。
阳极电极7与电子发射装置之间的距离为H。通常，参照阴极电极2的位置确定阳极电极7与发射装置之间的距离H。因此，在驱动过程中如果将电子发射装置与阳极电极之间施加的平均电场强度称为Ea，则获得等式“Ea＝Va/H”。
在驱动电子发射装置的同时，施加阴极电压Vc、栅极电压Vg和阳极电压Va，并形成了与这些电压相对应的电场。主要通过阴极电极2与栅电极4之间施加的电压(Vg-Vc)和阴极电极2与栅电极4之间的距离h确定电子发射装置进行电子发射所必需的电场强度。因此，在电子发射过程中，当将施加给电子发射装置的平均电场强度称为Eg时，就获得了等式“Eg＝(Vg-Vc)/H”。
不用说，实际施加给电子发射层5的电场随电子发射装置的形状显著变化，于是电场就从平均电场强度Eg偏移。然而，由于在依照本发明的电子发射装置中阴极电极2、电子发射层5、栅电极4、阳极电极7几乎彼此都是平行设置的，因此平均电场强度的定义是一个有效的尺度标准。
图2A和2B每个都表示当该电子发射装置的状态在ON状态(发射电子的驱动状态)与OFF状态(不发射电子的终止状态)之间转换时所施加的驱动电压波形。图2A涉及仅通过栅电压Vg调整驱动电压的示例，而图2B涉及既通过栅电压Vg又通过阴极电压Vc调整驱动电压的示例。
在图2A和2B中所示情况之一的情况下，设定阴极电极2与栅电极4之间的电压(Vg-Vc)，以便在应当终止电子发射的OFF阶段使电压降到“0”以下。这是本发明的一个特征。也就是说，在应当发射电子的驱动状态中，通过将电压(Vg-Vc)设定得超过“0”而实现电子发射。另一方面，在不应当发射电子的终止状态中，通过将电压(Vg-Vc)设定得降到“0”以下而终止电子发射。
图3表示用于以图2所示方式控制电子发射装置的驱动条件和终止条件。
该图表示由于在将阴极电压Vc设定为0V的条件下栅电极Vg发生变化而引起的发射电流Ie的变化。在图3中利用虚线示出了传统控制操作情况下的Vg-Ie的特征。
在图3中利用虚线所示的传统控制的情况下，获得这样一个特征曲线其中发射电流Ie随栅电极Vg的增加而显著增加。因此，在由装置发射电子的ON期间，通过选择发射电流Ie的所需量确定栅电压Vg＝V1。
另外，在利用虚线示出的传统Vg-Ie特性曲线的情况下，当将栅电压Vg设定为0V时，几乎没有电子发射出来，发射电流Ie变为“0”。因此，在装置应当终止电子发射的OFF期间，通过将栅电压Vg设定为0V(＝阴极电压Vc)，可较好地进行调整。
另外，图3中的实线表示，在电子发射装置与阳极电极7之间的距离H保持恒定的情况下阳极电压Va增加时的Vg-Ie特性曲线。
通过比较图3中用实线和虚线表示的Vg-Ie特性曲线可显而易见地看出，随着阳极电压Va增加，为实施电子发射而施加的栅电极Vg会降低。
另外，在由图3中实线表示的Vg-Ie特性曲线的情况下，发射电流Ie不会变成“0”，即使栅电压Vg变成0V左右，也可以观察到一定数量的发射电流。这是因为即使将栅电压Vg设定为0V，电极发射装置与阳极电极7之间形成的强电场也不会消除，能发生电子发射的电场也会施加到一部分电子发射层5上。
在此，在图1所示的电子发射装置的情况下，为防止电子束直径的增大，可将依照该实施例的阳极电极7、栅电极4和阴极电极2(电子发射层5)设置得近乎彼此平行。由于这种设置，它们形成的电场会相互平行，从而使阳极电极7形成的电场趋向于直接影响电子发射装置。
如果在已经作出了设定由此而获得由图3实线表示的Vg-Ie特性曲线的条件下将施加给图1中所示电子发射装置的栅级电压Vg设定为0V，则朝阳极电极7方向的电场存留在孔底面上形成的电子发射层5的中心部分中。结果，由于该部分中存留的电场而实现了电子发射。
另一方面，如果在已经作出了设定由此而类似地获得由图3实线表示的Vg-Ie特性曲线的条件下将施加给图1中所示电子发射装置的栅级电压Vg设定为负电势，就可以显著地减少发射电流I的量。这是因为颠倒了施加给阴极电极2和栅电极4的电压之间的关系，即，将高于施加给栅电极4的电位施加给了阴极电极2，由此改变了施加给电子发射层5的电场方向。
正如上面所描述的，在依照该实施例的电子发射装置中，将阳极电极7、栅电极4和阴极电极2(电子发射层)布置得彼此近乎平行，从而有助于这些部件相互影响。由此，通过颠倒栅电极4与阴极电极2之间施加的电压反转施加给电子发射层5的电场。结果，毫不费力地减少了朝向阳极电极7的电场强度。这将有效地抑制OFF期间的电子发射。
因此，正如从图3所看到的，为了按照图3中由实线表示的Vg-Ie特性曲线有效地控制电子发射装置，OFF期间装置应当满足的终止条件从用虚线表示的传统Vg-Ie特性曲线上的“Vg＝0”偏移到用实线表示的Vg-Ie特性曲线上发射电流Ie变成“0”的位置。也就是说，在OFF期间为终止电子发射，栅电压Vg偏移到如箭头所示的-V2处。结果，在OFF状态发射电流Ie的量几乎变为零。
因此，在电子发射装置应当处于OFF状态的OFF阶段，应重新进行设定。以便使发射电流Ie变成图3中由实线表示的Vg-Ie特性曲线上的零，也就是，将阴极电压Vc设定为特性曲线上的零，栅电压Vg设定为特性曲线上的-V2。在此，如果阴极电压Vc和栅电压Vg的相对电位条件没有改变，则阴极电极2与栅电极4之间形成的电场强度也不会改变。于是，可将阴极电压Vc设定为V2，将栅电压Vg设定为零。也就是说，通过满足条件“Vc＞Vg((Vg-Vc)＜0)”，能够抑制处于OFF状态的电子发射装置中的发射电流Ie。
如图3中的箭头所示，在图3中用实线表示的Vg-Ie特性曲线的情况下通过将栅电压Vg设定为V1-V2可获得处于ON状态的电子发射状态的发射电流Ie量，而在施加较低阳极电压Va的传统情况下，该发射电流Ie的量是通过将电压Vg设定为V1(Vc＝0)获得的。在此，如上所述，即使阴极电压Vc设定为V2，栅电压Vg设定为V1，阴极电压Vc与栅电压Vg的相对电位条件也不会变化。因此，能够获得与传统情况下相同的发射电流量。
图2A表示依照上述条件控制装置的示例。也就是说，阴极电压Vc从0V变到V2并保持在V2，由于该变化，在ON阶段将栅电压Vg调整设定为V1，在OFF阶段将其设定为0V，从而达到控制装置的目的。
另外，图2B表示依照不同条件实施的装置控制操作。通过该图中所示的控制操作，以与图2A所示情况相同的方式调整栅电压Vg，但在ON阶段将阴极电压Vc设定为0V，在OFF阶段将其设定为V2。
如图3所示，如果在该设备的ON阶段将阴极电压Vc设定为0V并将栅电压Vg设定为V1，则在ON阶段设定的点会从虚线上用圈表示的位置沿纵轴偏移到实线上的位置。在ON阶段利用通过设定将阴极电压2与栅电极4之间的电压(Vg-Vc)设为V1。结果，在ON阶段，阴极电极2与栅电极4之间的电压(Vg-Vc)变得高于在图2A所示的控制条件下获得的V1-V2。这意味着ON阶段发射电流Ie的量增大。应注意，即使在该情况下，在OFF阶段阴极电压Vc与栅电压Vg之间的相对关系变为(Vg-Vc)＜0。
在此应当注意的是，由于Ea增大而使问题加剧。利用Ea与Eg之间的比可解释最后得到的结果。
图4A中示出了Eg/Ea与Ie之间的关系。
由该图的虚线可清楚地看到，如果Eg/Ea＞100，则OFF阶段(残余的)发射电流Ie几乎变为零，即使利用将OFF阶段的电压Vg-Vc设定为零的传统驱动方法也是如此。然而，在OFF阶段，发射电流Ie随Eg/Ea比的降低会增加。
另一方面，利用本发明的方法将电压Vg-Vc设定得落在零以下，从而正如实线所示的，它抑制了OFF阶段的发射电流Ie。
在图4B中示出了ON阶段与OFF阶段之间的对比度。
在电子发射装置中，ON阶段与OFF阶段的发射电流Ie之间的比率(Ie(OFF)/Ie(ON))应变为1/100左右或更低。或最好在1/1000左右。利用本发明的驱动方法，即使比率Eg/Ea减小，也能维持较低水平的对比度(Ie(OFF)/Ie(ON))。
因此，在Eg/Ea≤100的情况下，本发明的驱动方法在抑制对比度降低的方面变得更有效。
此外，将阴极电压Vc设定为V2，这取决于电子发射装置的结构。图5A表示OFF阶段的(残余)电场和(残余)发射电流Ie随装置的孔形状产生的变化。在孔中心产生最大的残余电场，于是该图示出了在中心位置观察到的电场。
在该图中，利用孔的开口宽度w1和深度h1之间的比表示该装置形状。这是因为可考虑利用该比率使孔形状标准化。
在OFF阶段，利用在OFF阶段使电压Vg-Vc变为零的传统的驱动方法使发射电流Ie随比率w1/h1的增加而增大。另一方面，即使在普通驱动条件下，如果比率w1/h1低于1，那么发射电流Ie就不会这样增加了。
ON阶段与OFF阶段的对比度示于图5B中。
利用本发明的驱动方法，即使在将比率w1/h1增加到一定水平的形状的情况下，其中在OFF阶段将对比度降低到普通驱动条件以下(其中将OFF阶段的电压Vg-Vc设定为零)，这也可以防止对比度的降低。
另外，本发明的驱动方法更有效地防止了在w1/h1≥1情况下对比度的降低。
在上面的描述中，将阳极电压Va设定为高电压，尽管可通过缩短装置与阳极电极7之间的距离H来增强装置与阳极电极7之间的电场。在该情况下本发明的电子发射装置的驱动方法也是有效的。
在依照该实施例的上述电子发射装置中，电子发射层5与阳极电极7之间形成了失真很小的平电场，从而抑制了电子束直径的增大，由此获得了小直径的电子束。另外，通过为电子发射层5选择低逸出功的材料，就可以降低该装置的驱动电压。
另外，上述电子发射装置的结构很简单，在制造过程中可重复地实现部件的叠置。这意味着制造工艺简单，从而提高了它的生产率。
图6A到6F表示制造上述电子发射装置的通用方法。下面参照图6A到6F描述制造电子发射装置的方法示例。
如图6A所示，将阴极电极2层压到基板1上。作为基板1，可以利用表面十分清洁的基板或由诸如氧化铝的陶瓷制成的绝缘基板，所述十分清洁的基板可由石英玻璃、杂质(例如Na)的量减少了的玻璃、钠钙玻璃、硅基板或类似玻璃制成，在该基板上通过溅射或类似方法设置了SiO2层。
通常，阴极电极2具有导电性，它是利用普通的真空淀积技术或光刻蚀技术形成的，真空淀积技术例如汽相淀积法或溅射法。例如，阴极电极2的材料可从由以下物质组成的组中适当选择金属(例如，Be，Mg，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，W，Al，Cu，Ni，Cr，Au，Pt和Pd)、这些金属的合金、碳化物(例如TiC，ZrC，HfC，TaC，SiC和WC)、硼化物(例如HfB2，ZrB2，LaB6，CeB6，YB4以及GdB4)、氮化物(例如TiN，ZrN以及HfN)、半导体(例如Si和Ge)、分散了金刚石的碳、碳的化合物、加聚物材料、无定形碳、石墨、金刚石状的碳、以及主要成分为碳的纤维(例如碳纳米管(nanotube)和石墨纳米纤维(nanofiber))。将阴极电极2的厚度设定为几十纳米到几毫米的范围，优选为几百纳米到几微米的范围。
下面，如图6B所示，将绝缘层3设置到阴极电极2上。利用普通的真空淀积方法形成绝缘层3，例如溅射方法、CVD法、或真空蒸发方法。绝缘层3的厚度范围设为几纳米到几微米，优选为几十纳米到几百纳米。优选的是绝缘层3由诸如SiO2、SiN、Al2O3、Caf的材料制成，这些材料对高强度电场具有高电阻。
接着，在绝缘层3上设置栅电极4。象阴极电极2一样，栅电极4也具有导电性，它也是利用诸如汽相淀积法、溅射法或光刻蚀技术的普通真空层形成技术形成的。例如，栅电极4的材料可从由以下物质组成的组中适当选出金属(例如，Be，Mg，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，W，Al，Cu，Ni，Cr，Au，Pt和Pd)、这些金属的合金、碳化物(例如TiC，ZrC，HfC，TaC，SiC和WC)、硼化物(例如HfB2，ZrB2，LaB6，CeB6，YB4以及GdB4)、氮化物(例如TiN，ZrN以及HfN)、半导体(例如Si和Ge)以及有机高聚物材料。将栅电极4的厚度范围设为几纳米到几十微米，优选为几纳米到几百纳米。
在此应当注意的是，阴极电极2和栅电极4是否由相同材料或不同材料制成是无关紧要的。此外，这些电极2和4是否利用相同方法或不同方法制成也是无关紧要的。
下面，如图6C所示，利用光刻蚀技术形成掩模图案41。
如图6D所示，接着，通过从包括阴极电极2的叠置元件上局部去掉层3和4获得包括一个孔的叠置结构。应注意的是，刻蚀操作是否在刻蚀阴极电极2之前终止或持续刻蚀直到局部刻蚀阴极电极2都是无关紧要的。
可根据层3、4和41的材料适当地选择该刻蚀步骤中使用的刻蚀方法。
下面，如图6E所示，叠加电子发射层5的材料，以覆盖整个表面，由此在孔的底面上形成了电子发射层5。参考标记5’表示在掩膜图案41上叠置的电子发射层5的材料。
利用诸如汽相淀积法、溅射法或等离子体CVD法的通用层形成技术形成电子发射层5。优选的是利用低逸出功的材料构成电子发射层5。例如，该材料可从由以下物质组成的组中适当选择无定形碳、石墨、金刚石形状的碳、散布了金刚石的碳、以及碳的化合物。优选的是，电子发射层5由较低逸出功的薄形的金刚石膜或金刚石形状的碳制成。将电子发射层5的厚度范围设在几纳米到几百纳米的范围内，优选为几纳米到几十纳米的范围内。
如果尽可能低地降低电子发射层5产生电子发射所需的电场强度，就可能降低驱动电压。如果电子发射层5产生电子发射所需的电场等于或低于5×107V/m，驱动电压就会降低到大约为十和几V的较好水平。
最后，如图6F所示，剥去掩膜41。通过这种方式，可制造出如图1所示的电子发射装置。
装置中形成的孔的开口宽度w1主要取决于装置的电子发射特性，因此依照用于构造装置的材料特性适当地确定该孔的开口宽度。具体地，根据电子发射层5的逸出功和厚度、装置的驱动电压和驱动装置所需的电子束形状确定开口宽度w1。通常，将开口宽度w1的范围设定在几百纳米到几十微米的范围内。应注意的是，孔的形状并不限于圆形，它也可以是方形。
孔深h1也是另一个因素，其取决于装置的电子发射特性。为施加电子发射所需的电场，根据绝缘层3和电子发射层叠5的厚度适当地确定深度h1。深度h1也与要发射的电子束形状相关。
孔的开口宽度w1和深度h1的绝对值以及它们的比率w1/h1是很重要的方面。因此，通过调整比率w1/h1可使依照本发明该实施例的电子发射装置驱动方法变得更有效。具体地，适当的是要满足条件w1/h1≥1。
另外，可通过以下步骤制造依照该实施例的电子发射装置获得阴极电极2的图案，在整个表面上形成电子发射层5，在刻蚀步骤中执行刻蚀操作，并在对电子发射层5也进行刻蚀前终止上述刻蚀操作。另外，在想要的位置选择性地叠加薄形金刚石膜或金刚石状的碳。
另外，除了孔结构外，电子发射装置还可以具有与之相反的凸面结构。在图15A和15B中示出了凸面结构的例子。在这些附图中，栅电极4设置在基板1上，绝缘层3设置在栅电极4上，阴极电极2设置在绝缘层3上，电子发射层5设置在阴极电极2上。在图15A和15B所示的例子的情况下，电子反射层5设置在阴极电极2上，尽管可以改变该结构，以便如果电子发射层5具有足够低的电阻就可将电子发射层兼作阴极电极2。在凸面结构的情况下，w1表示绝缘层3在与基板1基本平行的方向上的宽度，h1对应于从栅电极4表面到电子发射层表面的距离。即使在具有该结构的电子发射装置中，与OFF阶段将电压(Vg-Vc)设定为0V的传统情况相比，可通过将OFF阶段中栅电极与阴极电极之间施加的电压Vg-Vc设定到0V以下，从而可能抑制OFF阶段的发射电流，而不用管比率w1/h1的大小。具体地，优选的是，如果满足条件w1/h1≤10，本发明的驱动方法就变得更有效。更为优选的是满足条件w1/h1≤1。
下面描述依照该实施例的电子发射装置的示例应用。例如，可通过在基板上布置多个依照该实施例的电子发射装置构造电子源或成像装置。
在电子源中可通过各种方式设置电子发射装置。例如，可沿X方向和Y方向设置多个电子发射装置以形成行列。可以利用矩阵结构，其中设置在同一行上的每个电子发射装置的电极一端通常与X方向的接线连接，而设置在同一列上的每个电子发射装置的另一端通常与Y方向的接线连接。下面将详细描述该矩阵结构。
在图7和8中，参考标记71和81每个都表示电子源基板，标记72和82每个都表示X方向的接线，标记73和83每个都表示Y方向的接线。另外，图8中的标记84表示依照该实施例的电子发射装置。
存在m个X方向的接线82(Dx1，Dx2，…，Dxm)，利用真空蒸发方法、印刷方法、溅射方法或类似方法由导电金属或类似物制得这些接线。适当地设计每个接线的材料、厚度和宽度。有n根Y方向的接线83(Dy1，Dy2，…，Dyn)，通过与制造X方向的接线82相同的方式制造这些接线。在m根X方向接线82与n根Y方向接线83之间设置层间绝缘层(未示出)，以便能电绝缘地隔离这些接线。在此，m和n每个都是正整数。
利用真空蒸发法、印刷法、溅射法或类似法由SiO2或类似物制造层间绝缘层(未示出)。例如，制造具有所期望的形状的层间绝缘层以覆盖整个或部分已经形成了X方向接线82的基板81表面。具体地，适当设计层间绝缘层的厚度、材料和制造方法，以便使层间绝缘层能抵抗X方向接线82与Y方向接线83的交叉点上的电势差。X方向接线82和Y方向接线83向外伸出用作接线端子。
存在这样一种情况，其中电子发射装置84的m根X方向接线82每个都兼作阴极电极2。另外，可能存在这样一种情况，其中n根Y方向接线83每个都兼作栅电极4。另外，还存在这样一种情况，层间绝缘层兼作绝缘层3。
为选择以X方向设置的电子发射装置84的行，将施加扫描信号的扫描信号施加装置(未示出)与X方向接线82相接。另一方面，为根据输入信号调整以Y方向设置的每列电子发射装置84，将调整信号发生装置(未示出)与Y向接线83连接。将施加给每个电子发射装置的驱动电压提供为施加给电子发射装置的扫描信号与调整信号之间的电压差。
在上面描述的图8中，将电子发射装置84与从X向接线82和Y向接线83伸出的连接线连接。然而，如图7所示，电子发射装置可具有这样一个结构其中，每个X向接线82都兼作阴极电极2，每个Y向接线83都兼作栅电极4，在X向接线72与Y向接线73的交叉点处形成孔，在每个孔的底面设置电子发射层5。
上述电子源结构使选择相应的电子发射装置并利用矩阵接线独立地驱动所选的电子发射装置成为可能。下面参照图9描述利用具有上述矩阵结构的电子源构造的成像装置。该附图为表示成像装置示例的示意图。
参照图9，参考标记84代表电子发射装置，标记81表示电子源的基板81，在该基板上设置了多个电子发射装置，标记91表示后面板，电子源基板81固定在该后面板上，标记96表示面板，该面板的结构是在玻璃基板93的内表面形成了荧光膜94、金属衬层95等，标记92代表框式支架。利用熔结玻璃或类似物将后面板91和面板96与框式支架92连接。
如上所述，由面板96、框式支架92和后面板91构成机壳(安装板)98。因为设置后面板91主要是用来增强电子源基板81的强度，因此如果电子源基板81自身具有足够强度的话，就不需要后面板91。结果，电子源基板81与后面板91可作成是一体式部件。
以下面描述的方式构成机壳98。将熔结玻璃施加到面板96、后面板91和框式支架92上，在所述面板96的内表面上设置了荧光膜94、框式支架92的金属衬层95。然后将面板96、框式支架92和后面板91固定在一起，以便使这些部件在预定位置连接。最后，将这些部件烘烤并密封。
可利用各种加热手段实施部件的烘烤和密封，例如进行灯式加热的红外射线灯或加热板。
只要在密封步骤后能获得足够真空环境，也可以利用除熔结玻璃外的各种材料粘结机壳98的部件。
上述机壳98的结构仅仅是本发明的一个实施例。因此，本发明并不限于该实施例，也可以采用各种不同的机壳。
例如，可利用面板96、框式支架92和电子源基板81直接将框式支架92封接到电子源基板81上以形成机壳98。另外，通过在面板96和后面板91之间设置称为衬垫(未示出)的支持部件可以制作出具有抵抗大气压的足够强度的机壳98。
图10A和10B每个都是在面板96上形成荧光膜94的示意图。在单色显示的情况下仅利用荧光体105形成荧光膜94。在荧光膜94是彩色荧光膜的情况下，荧光膜94由称为黑条或黑矩阵(black matrix)的黑色导电部件106和荧光体105组成。
为产生显示彩色图象所需的三原色而设置黑条或黑矩阵，用以使荧光体105周围的边界变黑，以便防止混色等太明显以及防止由于荧光膜94反射外部光线而导致对比度降低。黑带或黑矩阵的材料可以是这样一种材料，其主要成分为广泛使用的石墨或任何其它材料，只要所选的材料具有导电性并能够防止光透入或光反射即可。
可采用沉淀法或印刷法作为将荧光体施加到玻璃基板93上的方法，而不管显示是单色或彩色。通常为荧光膜94的内表面设置金属衬层95。
设置金属衬层95的原因是为了用作反光镜面，用以将由荧光体105发射的光中向内传播的一部分光反射到面板96上，以此提高亮度；是为了作为为加速电子束而施加电压的电极；是为了保护荧光体105不受机壳98中产生的负离子碰撞引起的损伤。
可通过在形成荧光膜94后对荧光膜94的内表面实施平滑工艺(通常称为“镀膜”)并通过利用真空蒸发等方法淀积Al来形成金属衬层95。
面板96在荧光膜94与玻璃基板93之间具有一透明电极(未示出)，用以改善荧光膜94的导电性。
在该实施例中，因为电子发射装置84向上呈直角发射电子束，因此将荧光膜94设置在直接位于电子发射装置84上方的位置。
以下是对真空封接步骤的描述，该步骤是为了排出已经经过封接步骤的机壳(安装板)98内的空气。
在真空封接步骤中，对机壳(安装板)98进行加热，将其温度保持在80摄氏度到250摄氏度。在该条件下，由排气装置通过排气管(未示出)由排气装置排出装置中的空气，以获得充分减少了有机物质的气氛。这些排气装置例如离子泵或吸附泵。然后，用燃烧器加热排气管。结果使排气管熔融并将其密封。
在机壳98密封后为保持真空度，可实施除气过程。除气过程是这样一个过程通过在完成机壳98的密封前或密封后立即进行电阻加热、高频加热等过程，以便对机壳98中的预定位置处设置的除气剂(未示出)进行加热，由此形成了蒸发膜。通常，除气剂主要由Ba或形成蒸发膜的类似物质制成，它具有吸附作用，用以维持机壳98中的气压。
在利用按照上述方式制造的矩阵结构的电子源构造的成像装置中，通过外部端子Dox1到Doxm和Doy1到Doyn(分别对应于接线Dx1到Dxm和Dyl到Dyn)向每个电子发射装置84施加电压，这些外部端子是通过延伸出X向接线82和Y向接线83形成的。通过施加该电压实现电子发射。
通过高压端子97将高压施加给金属衬层95或透明电极(未示出)，用以加速电子束。
被加速的电子束碰撞荧光膜94。结果，就发出光，从而完成成像。
图11是表示驱动电路示例的方框图，所述驱动电路能使成像装置依照NTSC电视信号执行显示操作。
下面描述扫描电路1102。扫描电路1102包括m个开关装置(图11中示意性地示出的S1到Sm)。每个开关装置S1到Sm从DC电压电源Vx1和DC电压电源Vx2的输出电压中选择一个，并与作为成像装置显示面板1101的外部端子Dox1到Doxm电连接。
每个开关装置S1到Sm依照从控制电路1103传送的控制信号Tscan进行操作。例如，可通过结合例如FET的开关装置构成开关装置S1到Sm。
在该实施例中，根据前面所述该实施例的电子发射装置的特性设定DC电压电源Vx1和Vx2。
控制电路1103与相应操作同步，以便能根据外部提供的图象信号产生要被实现的适当显示。依照同步信号分离电路1106提供的同步信号Tsync，控制电路1103产生控制信号Tscan、Tsft和Tmry，并将控制信号提供给相应部分。
同步信号分离电路1106是这样一种电路它用于将由外部提供的NTSC电视信号分成同步信号成分和亮度信号成分。可利用普通的频率分离电路(滤波器)等构成同步信号分离电路1106。
同步信号分离电路1106分离出的同步信号由纵向同步信号和水平同步信号组成。为了简化说明，将同步信号表示为Tsync信号。另一方面，为简化说明，将从电视信号分离出来的图象亮度信号表示为DATA信号。将DATA信号提供给移位寄存器1104。
移位寄存器1104为每行图象对以时间序列方式连续提供的DATA信号进行串行/并行转换，并依照由控制电路1103提供的控制信号Tsft进行操作。也就是说，将控制信号Tsft看作是移位寄存器1104的移位时钟。
从移位寄存器1104将已被串行/并行转换了的每行图象数据(对应于驱动n个电子发射装置的数据)作为n个并行信号Id1到Idn传送出去。
线路存储器1105是用于存储预定时间的一行图象数据的存储单元，线路存储器1105依照控制电路1103提供的控制信号Tmry适当存储内容Id1到Idn。将存储内容Id’1到Id’n提供给调制信号发生器1107。
调制信号发生器1107是该实施例中用于依照每个图象数据Id’1到Id’n适当驱动和调制每个电子发射器的信号源。通过端子Doy1到Doyn将调制信号发生器1107的输出信号提供给显示面板1101中的电子发射装置。
当将低于电子发射阈值的脉冲电压施加给电子发射装置时，没有电子发射出来。如果施加高于阈值的电压，就会有电子(电子束)发射出来。通过改变电压脉冲的波高Vm能够控制要被发射的电子束的强度。通过改变电压脉冲的宽度Pw能够控制要被发射的电子束的电荷总数量。
因比，能够利用电压调制法、脉冲宽度调制法等根据输入信号调制电子发射装置。
在采用电压调制法的情况下，调制信号发生器1107可以是电压调制类型的电路，该电路能产生预定长度的电压脉冲，并能根据所提供的数据适当调制脉冲波高。
在采用脉冲宽度调制法的情况下，调制信号发生器1107可以是脉冲宽度调制电路，该电路能产生预定波高的电压脉冲，并能根据所提供的数据适当调制电压脉冲宽度。
移位寄存器1104和线路存储器1105可以是数字信号类型或模拟信号类型，只要每个这样的单元能够以预定速度串行/并行地转换和存储图象信号。
在采用数字信号型的单元的情况下，必需通过为同步信号分离电路1106的输出部分提供A/D转换器对同步信号分离电路1106输出的信号数据进行数字化。与前述结构相比，为调制信号发生器1107设置的电端要依照线路存储器1105的输出信号是数字信号或模拟信号而稍稍作一些改变。
也就是，在采用数字信号的电压调制法的情况下，在调制信号发生器1107中采用公知的A/D转换电路，并要增添必需的放大电路等。在利用采用了数字信号的脉冲宽度调制法的情况下，例如，调制信号发生器1107可利用由以下部件结合而成的电路构成高速振荡器、用于计算振荡器发出的波数的计数器和比较计数器输出值与前述存储器输出值的比较器。如果需要可加入放大器，放大器将调制信号的电压放大到能驱动该实施例电子发射装置的电压水平，其中所述调制信号是由比较器发出的，且该调制信号的脉冲宽度已经得到调制。
在利用采用模拟信号的电压调制法的情况下，可将包括运算放大器或类似物的放大电路作为调制信号发生器1107。需要时可加入电平移动电路等。在利用采用模拟信号的脉冲宽度调制法的情况下，例如可采用电压可控振荡电路(VCO)。需要时可加入放大器，它将电压放大到能驱动该实施例的电子发射装置的电压水平。
图12A是脉冲宽度调制法情况下的示例时间图。
在驱动状态(ON状态)下，阳极电压Va保持在一定水平。端子Dox1到Doxm与阴极电极相连，它们顺序地接收作为扫描信号的信号，并从DC电压电源Vx1和Vx2输出的电压中选择一个。另外，端子Doy1到Doyn与栅电极连接，它们顺序地接收调制信号，并从0V和DC电压电源Vy1输出的电压中选择一个。
图12B表示驱动电压的示例，依照矩阵控制将该电压施加给每个电子发射装置。
正如该图中所述的，在除可选择地处于ON状态的装置以外的装置中，也就是说所有装置处于OFF状态，根据依照该实施例的控制方法将电压(Vg-Vc)设定在零以下。
前述成像装置的结构仅是依照该实施例成像装置的示例。因此，可依照本发明的技术原理作各种修改。尽管已经描述了NTSC输入信号，但是本发明的成像装置中使用的输入信号格式并不限于NTSC信号。也可用采用其它方法，例如PAL或SECAM。可采用利用了更大数量的扫描线的其它电视信号方法(例如，以MUSE方法为特征的高质量电视法)。
另外，例如，本发明的成像装置除用作显示装置外还可用作光束打印机的成像装置，所述光束打印机包括感光磁鼓。
<实施例>
下面详细描述本发明的实施例。
<第一实施例>
图1A和1B是第一实施例电子发射装置的俯视图和横断面视图，而图6表示制造该装置的方法。下面详细描述制造该示例的电子发射装置的方法。
(步骤1)首先，如图6A所示，通过充分清洗石英玻璃制备基板1。接着，利用溅射方法形成厚度为300nm的Ta薄膜作为阴极电极2。
(步骤2)接下来，如图6B所示，按照顺序叠置绝缘层3和栅电极4，其中绝缘层3是厚度为600nm的SiO2薄膜，栅电极4是厚度为100nm的Ta薄膜。
(步骤3)然后，如图6C所示，通过旋涂形成正性光致抗蚀剂(由Clariant制造的AZ1500)的光掩模图案，使其暴露于光，并利用照相平版法显影(develop)获得掩膜图案41。
(步骤4)接着，如图6D所示，从起掩膜作用的掩膜图案41上方利用CF4气体实施干刻蚀，以便刻蚀出Ta栅电极4和SiO2绝缘层3。在对阴极电极2进行处理前终止该刻蚀操作。通过这种方式形成了开口宽度为w1等于3μm的圆形孔。
(步骤5)接下来，如图6E所示，利用等离子CVD法在整个表面上叠置厚度为100nm的金刚石状的碳薄膜。通过这种方式，在孔的底表面上形成由金刚石碳制成的电子发射层5。将CH4气用作反应气体。参考标记5’表示在形成电子发射层5的过程中在掩膜图案41上叠置的金刚石状碳薄膜。
(步骤6)最后，如图6F所示，完全清除掩膜图案41以获得该示例的电子发射装置。在该装置中，将孔的深度h1设为500nm。
如图1A所示，在这样制成的电子发射装置上设置阳极电极7，在二者间的距离H保持2mm。然后，进行图2A中所示的控制操作。在驱动该装置的过程中，分别将电压Va、V1和V2设定为10KV、20V和2V。作为第一比较例，分别将电压V1和V2设为20V和0V。
在此，将通过涂覆荧光体形成的电极作为阳极电压7，观测电子束尺寸。术语“电子束尺寸”指观测到至少为荧光体所发光峰值亮度的10％的光束区域的尺寸。
这些条件下，该示例和第一比较例中处于ON阶段的电子发射装置的电子束直径都变为φ150μm。
然而，在第一比较例中，在OFF阶段残留的发射电流Ie量变为ON阶段发射电流Ie量的1/6，在OFF阶段能观察到由荧光体发射的光。另一方面，在该实施例中，OFF阶段残余的发射电流Ie量变为ON阶段发射电流Ie电流量的1/100或更低。在该OFF阶段观察不到有光从荧光体发射出来。
在该实施例中，Eg＝18V/0.5μm＝3.6×107V/m，Ea＝10KV/2mm＝5×106V/m，Eg/Ea＝7.2。
因此，该示例实现了有效控制电子发射装置的电场条件。
<第二实施例>
在该实施例中描述了本发明的另一个控制方法。
与在第一实施例中一样，在该实施例中也使用图1所示的电子发射装置。然而，在该实施例中将装置与阳极电极7之间的距离H设为1mm，阳极电极电压Va设定为15KV。
在该实施例中执行图2B所示的控制操作。另外，作为第二比较例，可象在第一实施例中所述的第一比较例那样将电压V1和V2分别设定为15V和0V。
利用该示例的这种结构，装置与阳极电极7之间的电场强度是第一实施例中电场强度的三倍。
如果象第一实施例中那样将电压V2设为2V，则OFF阶段会残留电子发射电流Ie。因此，将电压V2设定为4V。另一方面，即使将ON阶段中的电压V1设为16V，也能得到在OFF阶段残留的足够的发射电流Ie，其发射电流Ie量变为ON阶段发射电流Ie的1/100或更低。
另外，作为第二比较例，可分别将电压V1和V2设定为16V和0V。在该情况下，OFF阶段残留的发射电流Ie的大小变为ON阶段发射电流Ie的1/4或更低。结果，与第一比较例相比该比较例的情况变得更糟。
在该实施例中，ON阶段中的驱动电压Vg-Vc变为12V，由此与第一实施例相比降低了有效驱动电压。
另外，在该实施例中，电子束直径变为φ130μm，该尺寸小于第一实施例中的尺寸。
在该实施例中，Eg＝12V/0.5μm＝2.4×107V/m，Ea＝15KV/2mm＝7.5×106V/m，Eg/Ea＝3.2。
<第三实施例>
在该实施例中，利用包括第二实施例的多个电子发射装置的电子源构成图9所示的成像装置，其中按照图7所示的矩阵方式为所述多个电子发射装置接线。另外，在装置中形成图11所示的驱动电路并运行图12所示的控制操作。将电压Vx1、Vx2和Vy1分别设定为4V、20V和16V。另外，象第二实施例那样，作为第三比较例，分别将电压V1和V2设定为16V和0V，将OFF阶段中的电压Vg和Vc都设定为0V，为了比较在这样的条件下控制具有无源矩阵结构的装置。
可这样设置电子发射装置将X向间隔和Y向间隔都设定为150μm。在装置上设置荧光膜74。在第三比较例中由于这种结构会降低对比度，并获得了完全亮且模糊的图象。然而，由于第三实施例的成像装置，处于OFF状态的象素不会产生光发射，由此获得了具有足够对比度的图象。
如图12B所示，在矩阵驱动的情况下，为由处于ON状态的装置组成的每行装置设定称为“半选择”的条件。甚至在矩阵驱动的条件下，即使处于半选择条件下的每行装置处于OFF状态，也能利用上述电子发射装置控制方法。在该实施例中，处于OFF状态的每个装置的电压(Vg-Vc)降到0V以下。
<第四实施例>
下面描述第四实施例。在该实施例中，将形成的金刚石膜作成图1中所示装置的电子发射层5。以与第一实施例相同的方式通过适当改变电极材料和制造方法制造该示例的电子发射装置。
象在第一实施例中那样，将阳极电极7设置得使阳极电极7与装置之间的距离H保持2mm。然后，通过分别将电压Va、V1和V2设定为10KV、15V和2V实施图2A所示的控制操作。在这些条件下，以与第一实施例相同的方式控制发射电流Ie。与第一实施例相比，该实施例中降低了驱动电压。
<第五实施例>
下面描述第五实施例。在该实施例中，改变图1中所示电子发射装置的孔结构，并利用第一实施例中描述的制造方法。
将电子发射装置的孔开口宽度w1变为5μm，但与第一实施例相比不改变孔深度h1，将其设为500nm。
另外，象在第一实施例中那样，将阳极电极7设置得使阳极电极7与装置之间的距离H保持2mm。通过将电压Va设为10KV执行图2A所示的控制操作。如果将电压V1和V2分别设定为19V和4V，就能得到与第一实施例中相同的ON-OFF对比度。
然而，在该实施例中，与第一实施例相比比率w1/h1比较高，由此来自阳极电极7的电场倾向于残留下来。因此，与第二实施例中阳极电极电压Va增加的情况相同，尽管能够降低电压V1，但是也应当在某种程度上增加电压V2。
图5A和5B每个都表示残留电场强度Ea如何随w1/h1的变化而变化。如果w1/h1＜1，则即使在OFF阶段将电压Vc和Vg都设为0V，残留电场也接近变成零。在该情况下，会降低本发明的电子发射装置驱动方法抑制残留电场强度的效果。
然而，在情况下，可以利用本发明的电子发射装置驱动方法，而不会产生不利影响。
<第六实施例>
在图13A到13C中示出了第六实施例。在该实施例中改变了电子发射装置的电子发射结构。
在图13A中，在电子发射层5上叠置了绝缘层3。也能为该结构执行为图1所示结构实施的控制操作。
在图13B和13C中，形成两个阴极电极层2a和2b，并这样形成电子发射层5参照基板1使电子发射层5的表面低于阴极电极2b的表面。利用这种结构，可改变孔内的电势分布，并能实现缩小电子束直径的效果。另外，在该实施例中，利用本发明的电子发射装置驱动方法可获得抑制残留电场强度的效果。
<第七实施例>
第七实施例示于图14A和14B中。在该实施例中，电子发射装置的结构与前述示例中描述的结构不同。
图14A表示形成了多个孔的结构，而图14B表示孔为方形开口形状的结构。
在这些附图的任何一种情况下，与第一实施例相比在大的区域内进行电子发射。
在该实施例中，依照该结构产生了与前述示例中的电场不同的电场。然而，利用本发明的电子发射装置控制方法通过适当改变与驱动电压有关的条件可获得与上述示例中相同的效果。
<第八实施例>
第八实施例示于图15A和15B中。图15A是该示例的电子发射装置的横断面视图，而图15B是取自电子发射装置上方的偏视图。
与孔结构不同的是，该实施例的电子发射装置具有突出结构，在该突出结构中有栅电极4、绝缘层3、阴极电极2和电子发射层5，它们按上述顺序叠加到基板1上。
利用与第一实施例中的材料相同的材料制成电子发射装置的部件，并将阴极电极2的宽度w1设为3μm。但是，分别将阴极电极2、绝缘层3和栅电极4的厚度设为100nm、500nm和2μm。另外，不将电子发射层5设置得能覆盖阴极电极2的整个上表面，在该实施例中将该层的宽度w2设为2μm。
虽然可通过在栅电极与阴极电极之间施加与第一实施例相同的电势而获得与第一实施例相同的效果，但在该实施例中将栅电极4设置在绝缘层3的下面。
因此，在与第一实施例相同的条件下，通过将电压V1和V2分别设定为18V和4V可实现良好的控制操作。
另外，图16A表示当电压Vg-Vc设为0V时在该具有凸面结构的电子发射装置中存留的电场。不象图4中所示孔结构的情况那样，凸面结构具有这样一个特征残留电场强度随比率w1/h1的减小而升高。另外，如图16B所示，与传统驱动方法(见图16B中所示的虚线)相比，本发明的驱动方法(见图16B中所示的实线)实现了在OFF阶段抑制电子发射的意义深远的效果。另外，不管怎样设定比率w1/h1都能获得该效果。
因此，不管比率w1/h1如何变化，与传统驱动方法相比，具有凸面结构的该电子发射装置有效地抑制了OFF阶段的电子发射。优选的是满足条件“w1/h1≤10”，更为优选的是满足条件“w1/h1≤1”。
另外，在该实施例中，如果将比率w1/h1设为0.5(w1＝0.25μm，h1＝0.5μm)，即使将电压Vg设为5V，也能实现电子发射。
如上所述，利用本发明有效地抑制了处于终止状态的电子发射装置的电子发射。这实现了对电子发射装置的良好控制，所述电子发射装置能发射小电子束直径的电子束，并具有实现电子发射的较大区域，能毫不困难地制造该装置，该装置可利用较低的驱动电压运行，并能实施高效的电子发射。另外，利用该电子发射装置实现了高效能的电子源。更进一步来说，利用该电子发射装置实现了不会受对比度降低损害的成像装置。
权利要求
1.一种驱动电子源的方法，所述电子源设置得与阳极电极相对，电子源包括多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和在阴极电极上设置的电子发射膜，其中如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置以及将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子发射装置以外的每个电子发射装置。
2.一种驱动电子发射装置的方法，所述电子发射装置设置得与阳极电极相对，电子发射装置包括栅电极和电子发射膜，栅电极设置在阴极电极上，在栅电极与阴极电极之间有绝缘层，电子发射膜设置在阴极电极的表面区域上，表面区域位于由绝缘层和栅电极形成的孔内。其中如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置以及将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
3.一种驱动电子发射装置的方法，所述电子发射装置设置得与阳极电极相对，电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜，其中如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将栅电极与阴极电极之间的距离称为h，将阳极电极与电子发射装置之间的距离称为H；满足条件{(Vg-Vc/h)}/(Va/H)≤100，将符合条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置；以及将符合条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
4.一种驱动电子发射装置的方法，所述电子发射装置设置得与阳极电极相对，电子发射装置包括设置在栅电极上的阴极电极，在这两个电极间设置了绝缘层，在阴极电极上设置电子发射膜。其中如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给引起电子发射的电子发射装置以及将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给终止电子发射的电子发射装置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，如果(a)将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，将阴极电极与栅电极之间的距离称为h，(b)将平均电场强度设定为Eg＝(Vg-Vc)/h，所述电场强度施加在阴极电极与栅电极之间，用以引起电子从电子发射装置发射出来以及(c)将电子发射装置与阳极电极之间施加的平均电场强度设定为Ea＝Va/H，满足条件Eg/Ea≤100。
6.根据权利要求1所述的方法，其中如果(a)将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，将阴极电极与栅电极之间的距离称为h，(b)将平均电场强度设定为Eg＝(Vg-Vc)/h，所述电场强度施加在阴极电极与栅电极之间，用以引起电子从电子发射装置发射出来以及(c)将电子发射装置与阳极电极之间施加的平均电场强度设定为Ea＝Va/H，满足条件Eg/Ea≤10。
7.根据权利要求1、5和6中任一项所述的方法，其中将阴极电极和栅电极叠置起来，二者之间是绝缘层，电子发射膜基本上是平坦的以及电子发射膜基本上平行于阳极电极设置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过栅电极和绝缘层形成宽度为w1的孔，在孔内设置电子发射膜以及满足条件w1/h1≥1，其中h1为孔的深度。
9.根据权利要求1和5到6中任一项所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
10.根据权利要求7所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
11.根据权利要求8所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
12.根据权利要求1、5和6中任一项所述的方法，其中电子发射膜是由金刚石或金刚石状的碳之中的一种材料制成的膜。
13.根据权利要求1、5和6中任一项所述的方法，其中电子发射膜是包括主要成分是碳的纤维的膜。
14.根据权利要求1、5和6中任一项所述的方法，其中按矩阵方式为多个电子发射装置接线。
15.一种成像装置，电子源，它包括多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜；阳极电极设置得与电子源相对，以及成像部件，其中利用权利要求1、5和6中任一项所述的方法驱动电子源。
16.根据权利要求15所述的成像装置，其中成像部件是荧光体。
17.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中，如果(a)将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，将阴极电极与栅电极之间的距离称为h，(b)将平均电场强度设定为Eg＝(Vg-Vc)/h，所述电场强度施加在阴极电极与栅电极之间，用以引起电子从电子发射装置发射出来以及(c)将电子发射装置与阳极电极之间施加的平均电场强度设定为Ea＝Va/H，满足条件Eg/Ea≤100。
18.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中，如果(a)将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，将阴极电极与栅电极之间的距离称为h，(b)将平均电场强度设定为Eg＝(Vg-Vc)/h，所述电场强度施加在阴极电极与栅电极之间，用以引起电子从电子发射装置发射出来以及(c)将电子发射装置与阳极电极之间施加的平均电场强度设定为Ea＝Va/H，满足条件Eg/Ea≤10。
19.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中将阴极电极和栅电极叠置起来，二者之间是绝缘层，电子发射膜基本上是平坦的以及电子发射膜基本上平行于阳极电极设置。
20.根据权利要求17所述的方法，其中将阴极电极和栅电极叠置起来，二者之间是绝缘层，电子发射膜基本上是平坦的以及电子发射膜基本上平行于阳极电极设置。
21.根据权利要求18所述的方法，其中将阴极电极和栅电极叠置起来，二者之间是绝缘层，电子发射膜基本上是平坦的以及电子发射膜基本上平行于阳极电极设置。
22.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
23.根据权利要求17所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
24.根据权利要求18所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
25.根据权利要求19所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
26.根据权利要求20所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
27.根据权利要求21所述的方法，其中从电子发射膜发射出电子所需的电场等于或低于5×107V/m以及如果将施加给阳极电极的阳极电压称为Va，将阴极电极与阳极电极之间的距离称为H，则Ea＝Va/H等于或高于5×106V/m。
28.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中电子发射膜是由金刚石或金刚石状的碳之中的一种材料制成的膜。
29.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中电子发射膜是包括主要成分为碳的纤维的膜。
30.根据权利要求2所述的方法，其中通过栅电极和绝缘层形成宽度为w1的孔，在孔内设置电子发射膜以及满足条件w1/h1≥1，其中h1为孔的深度。
31.根据权利要求4所述的方法，其中如果将阴极电极的宽度称为W1，将栅电极表面与电子发射膜表面之间的距离称为h1，则满足条件W1/h1≤10。
32.根据权利要求4所述的方法，其中如果将阴极电极的宽度称为W1，将栅电极表面与电子发射膜表面之间的距离称为h1，则满足条件W1/h1≤1。
33.一种驱动电子源的方法，其中设置了多个电子发射装置，其中利用权利要求2到4中任一项所述的方法驱动多个电子发射装置。
34.根据权利要求33所述的方法，其中按照矩阵方式为多个电子发射装置接线。
35.一种成像装置，它包括电子源，其中设置了多个电子发射装置，阳极电极，它设置得与多个电子发射装置相对以及成像元件，用以利用从电子源向阳极电极发射出的电子形成图象，其中利用权利要求33所述的方法驱动电子源。
36.一种成像装置，它包括电子源，其中设置了多个电子发射装置，阳极电极，它设置得与多个电子发射装置相对以及成像元件，用以利用从电子源向阳极电极发射出的电子形成图象，其中利用权利要求34所述的方法驱动电子源。
37.根据权利要求35所述的成像装置，其中成像元件是荧光体，该荧光体由于电子碰撞而发光。
38.根据权利要求36所述的成像装置，其中成像元件是荧光体，该荧光体由于电子碰撞而发光。
39.一种驱动电子源的驱动电路，所述电子源设置得与阳极电极相对，电子源，它包括多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜；驱动电路，它包括将电压Vc施加给阴极电极和将电压Vg施加给栅电极的装置，其中将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置，将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子装置以外的每个电子发射装置。
40.一种电子源，该电子源设置得与阳极电极相对，它包括根据权利要求39所述的驱动电路。
41.一种驱动成像装置的驱动电路，成像装置包括阳极电极和电子源，电子源设置得与阳极电极相对，电子源，它包括多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜；驱动电路包括将电压Vc施加给阴极电极和将电压Vg施加给栅电极的装置；以及将电压Va施加给阳极电极的装置，其中将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置，将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子装置以外的每个电子发射装置。
42.一种成像装置，包括阳极电极；电子源，电子源设置得与阳极电极相对；以及根据权利要求41所述的驱动电路。
43.一种制造成像装置的方法，所述成像装置包括阳极电极和电子源，所述电子源设置得与阳极电极相对，所述方法包括以下步骤制备后面板，在后面板上设置了多个电子发射装置，每个电子发射装置包括阴极电极、栅电极和设置在阴极电极上的电子发射膜；制备面板，它包括阳极电极和发光部件；将面板与后面板连接在一起，在面板与后面板之间形成一定空间，维持面板与后面板之间空间的真空；以及将驱动电路电连接到多个电子发射装置上，其中，如果将施加给阴极电极的阴极电压称为Vc，将施加给栅电极的栅极电压称为Vg，将满足条件(Vg-Vc)＞0的电压施加给多个电子发射装置中应当发射电子的每个电子发射装置，将满足条件(Vg-Vc)＜0的电压施加给除应当发射电子的电子装置以外的每个电子发射装置。
全文摘要
本发明公开的是:一种驱动电子发射装置、电子源和成像装置的方法,电子源和成像装置的驱动电路以及一种电子源和成像装置,每个装置都能有效地终止电子发射。将电压(Vg－Vc)>0施加给应当发射电子的处于驱动状态的电子发射装置,由此使电子发射装置发射出电子。将电压(Vg－Vc)<0施加给不应当发射电子的处于终止状态的电子发射装置,由此使电子发射装置终止电子发射。通过这种方式,在终止状态的阴极电极与栅电极之间形成的电场变得与驱动状态中二者之间形成的电场相反,由此容易地削弱了指向阳极电极的电场,并有效地抑制了终止状态中的电子发射。
文档编号G09G3/22GK1363944SQ0114568
公开日2002年8月14日 申请日期2001年9月21日 优先权日2000年9月22日
发明者西村三千代, 笹栗大助, 野村和司 申请人:佳能株式会社