DE19724606C2 - Feldemissions-Elektronenquelle für Flachbildschirme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissions-Elektronenquelle für Flachbildschirme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Feldemission ist ein quantenmechanischer Effekt, bei dem Elektronen aus einem Metall oder einem Halbleiter emittiert werden, wenn das Material dem Einfluß eines starken elektrischen Feldes ausgesetzt wird. Das elektrische Feld verzerrt die Form der Potentialbarriere, welche sonst die Elektronen am Austritt hindert. Im Falle der Feldemission durchtunneln Elektronen die Potentialbarriere, anstatt sie wie bei thermionischen oder Photoemissions-Prozessen zu überwinden.

Feldemission von Elektronen wird typischerweise dadurch erzeugt, daß ein scharf zugespitztes Feldemissionselement in einen evakuierten Bereich gebracht wird, in welchem ein elektrisches Feld anliegt. Das Feldemissionselement dient als Elektronenquelle oder Kathode, wobei das elektrische Feld zwischen dem Feldemissionselement (das an der Ober­ fläche einer Elektrode befestigt ist) und der Oberfläche einer Anode er­ zeugt wird. Das elektrische Feld verändert die Form der Potentialbarrie­ re an der Spitze des Feldemissionselements und ermöglicht es so einigen Elektronen, durch die veränderte Barriere zu tunneln und die Spitze des Feldemissionselements zu verlassen.

Die Bahn der emittierten Elektronen verläuft entlang der elek­ trischen Feldlinien, welche radial von der Spitze des Feldemissionsele­ ments aus divergieren. Die emittierten Elektronen folgen den elektri­ schen Feldlinien, bis sie die Anode erreichen, die mit einem Fluores­ zenzschirm oder einem anderen geeigneten Detektor verbunden sein kann.

Da jedoch die elektrischen Feldlinien von der Spitze des Feld­ emissionselements aus divergieren, bilden die bei der Anode eintreffen­ den Elektronen keinen enggebündelten Strahl. Dies beeinträchtigt die Helligkeit der Anzeige. Da ein Feldemissionselement ähnlich einer Elek­ tronenkanone als Elektronenquelle verwendet werden kann, sind Felder solcher Feldemissionselemente zur Verwendung in Anzeigegeräten von Com­ putern oder anderen Anlagen untersucht worden. Insbesondere ist ein Feld von Feldemissionselementen zur Verwendung in Flachbildschirmen vorgeschlagen worden.

Ein bekanntes Feldemissions-Anzeigegerät verwendet typischer­ weise eine Anordnung von Tausenden bis Millionen von Feldemissionsele­ menten als Elektronenquelle, wobei Hunderte bis Tausende von Feldemissionselementen für jedes Bildpixel verwendet werden. Die Feld­ emissionselementanordnungen für jedes Pixel können in drei Bestandteile entsprechend drei Unterpixeln unterteilt werden, welche zur Erzeugung von jeweils einer der drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) für das betreffende Pixel verwendet werden, wozu für jede Farbe der entsprechen­ de Leuchtstofftyp angeregt wird. Es können auch in einigen Fällen vier Unterpixel verwendet werden. Rot, Grün und zwei Blautöne.

Feldemissionselemente sind typischerweise nadel- oder kegel­ förmig und werden auf einem Kathodensubstrat mit Herstellungsverfahren erzeugt, die denen bei integrierten Schaltkreisen ähneln. Ein Kathoden­ substrat bildet eine Elektrodenoberfläche des Feldemissionsanzeigegerätes und verbindet die Feldemissionselemente elektrisch miteinander. Eine Elektrodenkathode kann auf einem tragenden Substrat (typischerweise aus Glas) aufgebracht werden, welches den strukturellen Träger des Gerätes bildet. Eine isolierende Schicht wird oben auf der Kathodenelektrode und um die Grundflächen der Feldemissionselemente herum aufgebracht. Diese isoliert die Kathodenelektrode von den anderen Schichten des Gerätes elektrisch voneinander. Eine über der isolierenden Schicht erzeugte Gate­ elektrode wird zur Steuerung der Auslösung von Elektronen aus den Spitzen der Feldemissionselemente verwendet. Die Gateelektrode ist mit einer externen Spannung moduliert, um das elektrische Feld an der Spitze der Feldemissionselemente zu erhöhen, bis Elektronen aus der Spitze her­ ausgelöst worden sind. Aufgrund der angelegten Gateelektrodenspannung werden Elektronen aus den Spitzen der Feldemissionselemente emittiert. Die emittierten Elektronen treten durch Öffnungen in der Gateelektroden­ schicht, werden unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes von der Ka­ thode zur Anode beschleunigt und gelangen zu einem von einer Gruppe von roten, grünen oder blauen Leuchtpunkten.

Die Leuchtpunkte werden mit einer leitenden Oberflächenschicht (typischerweise einer Aluminiumschicht) bedeckt, durch die sie auf einem Schirm (typischerweise aus Glas) festgehalten werden, welcher als Re­ flektor für auftreffende Photonen und als Anodenelektrode dient. Wenn die emittierten Elektronen an der Anode eintreffen, besitzen sie genug Energie, um die Aluminiumschicht zu durchdringen, treffen auf die Leuchtstoffbereiche und erzeugen Photonen, die emittiert werden und als Licht durch den Schirm sichtbar sind.

Feldemissionselemente können aus Silicium, Molybdän, Wolfram­ fasern, Kohlenstoff oder anderen Leitern mit niedriger Austrittsarbeit hergestellt werden.

Photolithographie und andere Halbleiterherstellungsverfahren können zur Bildung regulärer Anordnungen von Siliciumnadeln oder -kegeln angewandt werden.

Zum Erreichen einer hohen Helligkeit der auf dem Schirm er­ zeugten Bilder sollten die von den Emissionsspitzen emittierten Elektro­ nen daran gehindert werden, auf dem Weg zum Schirm zu stark zu divergieren. Zum Erreichen dieser "Elektronenfokussierung" kann man die Katho­ denanordnung(en) in direkter Nähe des Schirms anbringen. Dies hindert die Elektronen daran, auf dem Weg zum Schirm in das Gebiet eines benach­ barten Unterpixels zu divergieren. Ein Nachteil dieses "Annäherungs"-Fo­ kussierungsverfahrens besteht jedoch in der Beschränkung des erlaubten Abstands zwischen der Kathodenanordnung und dem Schirm. Darüber hinaus können die Elektronen in Abhängigkeit von den zur Auslösung der Elektro­ nen und zur Steuerung ihrer Bewegung zur Anode verwendeten Spannungen immer noch zu stark an der Anode divergieren, so daß die gewünschte Hel­ ligkeit nicht erreicht werden kann. Bei Hochspannungsbetrieb ist ein Mindestabstand zwischen der Anode und der Kathode erforderlich, um ein "Überschlagen" zu vermeiden. Dies steht der für diese Fokussierungsme­ thode erforderlichen Annäherung von Kathode und Anode entgegen. Diese Nachteile beschränken die Verwendbarkeit von Anzeigen, die ein solches Fokussierungsverfahren beinhalten.

Zur Fokussierung von Elektronen, die von Feldemissionselemen­ ten emittiert worden sind, ist auch die Verwendung einer Fokussierungselek­ trode üblich, die zwischen die Gateschicht und den Bildschirm gebracht und von der Gateschicht isoliert wird. Die Fokussierungselektrode ist mit einer Stromversorgung verbunden und wird zur Erzeugung einer elek­ trischen Feldregion verwendet, die die Elektronen auf dem Weg zum Schirm durchlaufen. Das elektrische Feld lenkt den von den Feldemissionsele­ mentspitzen emittierten Elektronenstrahl um und zwingt die Elektronen, sich entlang der zwischen Kathode und Anode erzeugten, im wesentli­ chen parallelen elektrischen Feldlinien zu bewegen. Dies bewirkt eine Bündelung des Elektronenstrahls vor dem Erreichen des Schirms. Dieses Fokussierungsverfahren wird als "elektrostatische Fokussierung" bezeich­ net. Die Hauptnachteile dieser Fokussierung bestehen darin, daß sie ei­ nen relativ komplizierten Herstellungsprozeß erfordert, da eine zusätz­ liche Elektrode notwendig ist, und daß es eine zweite Stromversorgung verwendet. Diese Fokussierung führt auch zu einer Verminderung der Schirmhelligkeit, da einige der emittierten Elektronen den Schirm nicht erreichen. Das Ergebnis ist ein komplizierterer und teurerer Herstel­ lungsprozeß.

Zur Fokussierung der von einer Anordnung von Feldemissionsele­ menten emittierten Elektronen ist auch die Verwendung einer jeweils dazugeschalteten hohen Anodenspannung bekannt. Diese erzeugt an jedem Unterpixel ein starkes elektrisches Feld, welches die Elektronen auf einen direkteren Weg zu jedem individuellen Unterpixel beschleunigt. Diese "Selbstfokus­ sierung" kann zur Überwindung von einigen Nachteilen der Annäherungsme­ thode verwendet werden, da es eine größere Trennung zwischen Kathode und Anode ermöglicht, erfordert jedoch die Anwendung von entsprechenden Ano­ denspannungen. Es erhöht auch die Herstellungskosten, da Hochspannungs­ treiber erforderlich sind, um die Anodenspannung für jedes Unterpixel zu schalten.

Es ist auch bekannt, zum Fokussieren die Steuerung des Poten­ tials einzubeziehen, welches durch die Gateschichtstrukturen erzeugt wird, die zum Auslösen von Elektronen aus den Feldemissionselementspit­ zen verwendet werden. Dies wird durch eine Variation der die Feldemis­ sionselemente an verschiedenen räumlichen Positionen umgebenden ringför­ migen Gateelektrode erreicht. Das resultierende elektrische Feld bewirkt, daß die Elektronen aus den Feldemissionselementspitzen emittiert werden, und dient der Fokussierung der emittierten Elektronen in einer Schar im allgemeinen paralleler Strahlen. Diese Fokussierungsmethode erfordert eine getrennte und variable Kontrolle der Feldemissionselementregionen über die gesamte Oberfläche der Anordnung. Dies gibt dem Gerät einen zu­ sätzlichen Grad an Komplexizität und vergrößert so Kosten und Schwierig­ keiten der Herstellung.

Bei einem anderen bekannten Fokussierungsverfahren wird ein expandierender Elektronenstrahl ohne Verwendung einer externen Elektrode gebündelt. Ein Dielektrikum wird um den Weg des Elektronenstrahls herum angebracht. Wenn die Elektronen von den Feldemissionselementspitzen emittiert werden, beschießen sie unter Deposition einer elektrostati­ schen Ladung das Dielektrikum. Dies erzeugt ein elektrisches Feld, wel­ ches den Elektronenstrahl vor den Oberflächen des Dielektrikums aus um­ lenkt und den expandierenden Elektronenstrahl bündelt. Dieses Fokussie­ rungsverfahren ist jedoch schwer zu verwirklichen und bringt zusätzliche Prozeßschritte bei der Herstellung des Anzeigegerätes mit sich. Dies erhöht die Kosten des Anzeigegeräts bei gleichzeitiger Abnahme der Strahlenenergie und damit der Pixelhelligkeit auf dem Schirm.

Ähnlich ist aus der US 4 874 981 eine Feldemissions-Elektronenquelle bekannt, bei der die einzelnen kegelförmigen Feldemissionselemente von untereinander verbundenen Ringabschnitten einer Steuerelektrode umgeben sind, die auf einer Isolierschicht aufgebracht ist, die ihrerseits auf einer die Feldemissionselemente tragenden, auf einem Substrat befindlichen Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird ein zwischen den benachbarten Ringabschnitten hervorquellendes elektrisches Feld erzeugt, das emittierte Elektronen im wesentlichen senkrecht axial zu den Ringabschnitten fokussiert.

Auch gemäß US 5 064 396 sind die kegelförmigen Feldemissionselemente in leicht kegelförmigen Öffnungen, von dielektrischem Material umgeben, angeordnet, wobei gemäß US 5 235 244 noch eine zusätzliche Ablenkelektrode, die über eine dielektrische Schicht von der Anode getrennt ist, verwendet werden kann.

Gemäß US 4 663 559 bzw. 4 498 952 ist um das kegelförmige Feldemissionselement eine Vielschichtstruktur ausgebildet, die neben mehreren Anodenschichten auch eine magnetische Schicht umfaßt, die das Feldemissionselement umgibt, um die emittierten Elektronen entsprechend abzustoßen. Die Spitze des Feldemissionselementes besteht aus einer Mischung aus leitenden und isolierenden Teilchen.

Obwohl alle beschriebenen Fokussierungsverfahren zur Bündelung der von einer Anordnung von Feldemissionselementen emittierten Elektronen verwendet werden können, hat jedes von ihnen einen oder mehrere Nachteile. Diese Nachteile umfassen Beschränkungen des Abstands zwischen Feldemissionselementen und Schirm, eine Reduzierung der Helligkeit des Schirms und eine Erhöhung der zum Betreiben des Anzeigegerätes erforderlichen Leistung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feldemissions-Elektronenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die emittierten Elektronen zur Erhöhung der Heiligkeit der Anzeige fokussiert werden, ohne daß eine Steuerelektrode oder hohe Anodenschaltspannungen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierzu wird das Feldemissionselement mit einem ferromagnetischen Material dotiert und hat so eine magnetisch selbstfokussierende Wirkung. Das durch das ferromagnetische Material erzeugte Magnetfeld treibt die Elektronen auf eine Bahn entlang der in etwa parallelen elektrischen Feldlinien zurück, die die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode des Geräts verbinden. Dies hindert die von der Spitze des Feldemissionselements emittierten Elektronen daran, auf ihrer Bahn von der Kathodenelektrode zur Anodenelektrode wesentlich zu divergieren. Die Kombination des magnetischen Feldes mit einem zwischen den Feldemissionselementspitzen und einer Anodenelektrode erzeugten elektrischen Feld bewirkt, daß sich die Elektronen auf näherungsweise geradlinigen Bahnen zur Oberfläche der Anodenelektrode bewegen. Dies reduziert ein Überlappen zwischen benachbarten Pixeln und verbessert so die Helligkeit eines Anzeigegerätes mit einer Anordnung von Feldemissionselementen. Das magnetische Selbstfokussierungs-Feldemissionselement ermöglicht daher eine Anzeige mit großer Helligkeit ohne die Notwendigkeit einer Steuerelektrode oder der Verwendung von hohen Anodenschaltspannungen. Dies vereinfacht die Konstruktion und Produktion solcher Anzeigegeräte.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines einzelnen Feldemissionsele­ mentausschnitts eines Feldemissions-Anzeigegeräts, welches magnetisch fokussierte Feldemissionselemente enthält.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem Feld von Feldemissions­ elementen.

In Fig. 1 enthält ein Feldemissions-Anzeigegerät ein Feldemissionsele­ ment 52, das typischerweise die Form einer scharf zugespitzen Nadel oder eines Kegels hat und elektrisch mit einer Kathodenelektrode 54 verbunden ist. Eine Anordnung solcher Feldemissionselemente 52 wird als Elektro­ nenquelle für ein Pixel oder Unterpixel einer Anzeige verwendet. Zur Bildung einer Anordnung von Feldemissionselementen 52 werden diese bei­ spielsweise durch ein Metallaufdampf- oder kollimiertes Sputter- Verfahren hergestellt. Das Feldemissionselement 52 ist mit einem ferro­ magnetischen Material 56 dotiert. Diese Dotierung kann durch Auf­ dampfen oder einen Sputterprozeß unter Verwendung von Zweifachquellen während der Bildung der Spitze des Feldemissionselements 52 erreicht werden. Das ferromagnetische Material 56 wird verwendet, um eine Anzahl atomarer magnetischer Dipole innerhalb des Feldemissionselements 52 zu erzeugen. An geeigneter Stelle während des Herstellungsverfahrens wird ein starkes elektrisches Feld entlang der Feldemissionselemente 52 ange­ legt, um die atomaren Dipole innerhalb jedes Feldemissionselements 52 auszurichten. Dies erzeugt innerhalb jedes Feldemissionselements 52 ei­ nen Permanentmagneten.

Der Permanentmagnet erzeugt ein magnetisches Feld B, welches auf die von der Spitze des Feldemissionselements 52 emittierten Elektro­ nen wirkt und eine Richtkraft erzeugt, die die Elektronen auf eine nähe­ rungsweise parallele Schar elektrischer Feldlinien zwingt, welche zwi­ schen der Kathodenelektrode 54 und einer Anodenelektrode 60 verlaufen. Dies bewirkt, daß die emittierten Elektronen an der Oberfläche der Ano­ denelektrode 60 eine geringere Divergenz aufweisen als ohne Verwendung eines Fokussierungsverfahrens.

Eine Gateelektrode 58 zur Steuerung des Auslösens von Elektro­ nen ist um die Spitze des Feldemissionselements 52 herum ausgebildet. Die Gate­ elektrode 58 wird typischerweise bei einer Spannung von einigen Volt bis zu einigen hundert Volt betrieben. Man kann sowohl mit als auch ohne Gateelektrode arbeiten. Die Anodenelektrode 60 ist parallel zur Katho­ denelektrode 54 und von dieser getrennt angeordnet. Wenn die Anodenelek­ trode 60 und die Kathodenelektrode 54 mit einer Potentialdifferenz (d. h. einer Spannungsquelle) 70 verbunden werden, wird ein elektrisches Feld (E) zwischen den Elektroden erzeugt. Die Spannungsquelle 70 liegt typi­ scherweise im Bereich von einigen hundert bis zu einigen zehntausend Volt. Wie dargestellt (wobei Größe und Abstände der Elemente vergrößert sind), divergieren die elektrischen Feldlinien in der Nähe der Spitze des Feldemissionselements 52 radial und erstrecken sich bis zur Anoden­ elektrode 60. Entfernt von der Spitze des Feldemissionselements 52 sind die elektrischen Feldlinien im wesentlichen parallel und verbinden die Kathodenelektrode 54 mit der Anodenelektrode 60. Das elektrische Feld übt eine Kraft auf die emittierten Elektronen aus und beschleunigt sie in Richtung auf die Anodenelektrode 60. Infolge der Form der elektri­ schen Feldlinien und der Unebenheit der Oberfläche der Spitze des Feld­ emissionselements 52 bewegen sich einige der aus der Spitze emittierten Elektronen abweichend von der normalen Richtung zur Kathodenelektrode 54.

Ein Leuchtstoffbereich 62 ist auf der Oberfläche der Anoden­ elektrode 60 aufgebracht, welche typischerweise aus einem Aluminium­ überzug besteht, der sowohl als Anode als auch zum Halten des Leucht­ stoffbereichs 62 verwendet wird. Ein schwarzer Matrixbereich 61 füllt den Raum zwischen der Anodenelektrode 60 und einem Substrat 66 auf den Flächen, die keinen Leuchtstoffbereich 62 darstellen. Wenn Elektronen, die aus der Spitze des Feldemissionselements 52 emittiert worden sind, den Leuchtstoffbereich 62 treffen, werden Photoren 64 aus dem Leucht­ stoffbereich 62 ausgesandt und erzeugen Licht, das von der Rückseite des Substrats 66 (typischerweise aus Glas) aus, welches die Anodenelektrode 60 trägt, sichtbar ist.

Die Kraft auf ein Elektron der Ladung q, das die Spitze eines Feldemissionselements 52 verläßt, in der eine permanentmagnetische Feld­ linienquelle ausgebildet ist, besteht aus zwei Komponenten,

• 1. einer Kraft aufgrund des Vektors des elektrischen Feldes E, die zwischen Kathodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 erzeugt wird und deren Größe durch F_E = qE (mit q = -e, wobei e die Elektronenladung bezeichnet) gegeben ist;
• 2. einer Kraft aufgrund des Vektors des magnetischen Feldes B, die durch den Permanentmagneten hervorgerufen wird und deren Größe durch F_B = q v B sin gegeben ist, wobei v die Geschwindigkeit des Elektrons und den Winkel zwischen dem Magnetfeld und den Geschwindigkeitsvekto­ ren bezeichnet.

Die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten sind ge­ schlossen und verbinden den Magneten an den Polen. Sie treten aus dem Feldemissionselement 52 an der Spitze aus, welche den Nordpol des Magne­ ten darstellt, und treten an der Grundfläche der Spitze, welche den Süd­ pol bildet, wieder ein. Die Region mit der größten Feldlinienkonzentra­ tion ist folglich die Nordpolspitze, und die Feldlinien verlaufen dort annähernd parallel zum Geschwindigkeitsvektor eines emittierten Elek­ trons.

Wenn ein Elektron aus der Spitze eines Feldemissionselements 52 emittiert wird, unterliegt es dem Einfluß des elektrischen Feldes zwischen Anodenelektrode 60 und Kathodenelektrode 54. Hierdurch wirkt eine Kraft auf das Elektron, die es unter Erhöhung seiner Geschwindig­ keit zur Anodenelektrode 60 beschleunigt. Wenn ein Elektron aus der Spitze des Feldemissionselements 52 in gerader Linie senkrecht zur Ober­ fläche der Kathodenelektrode 54 emittiert wird, sind Magnetfeld und Ge­ schwindigkeit parallel und es wirkt keine magnetische Kraft auf das Elektron (d. h. sin = 0). Aufgrund des elektrischen Feldes bewegt sich das Elektron auf annähernd gerader Bahn zur Oberfläche der Anodenelek­ trode 60. Die elektrische Feldstärke ist etwas außerhalb der Spitze des Feldemissionselements 52 annähernd Null, da die Spitze mit der Kathodenelek­ trode 54 auf gleichem Potential liegt. Folglich hat das elektrische Feld etwas außerhalb der Spitze des Feldemissionselements 52 einen sehr geringen Einfluß auf die Elektronenbewegung. Da jedoch Magnetfeld und Ge­ schwindigkeitsvektor des Elektrons in etwa parallel sind, hat nur das elek­ trische Feld einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbewegung.

Wenn sich das Elektron eine kurze Strecke von der Spitze des Feldemissionselements 52 entfernt hat, liegen die magnetischen Feldli­ nien in einem Winkel zur Elektronengeschwindigkeit. In diesem Fall wird die magnetische Kraft auf das Elektron durch die Feldlinien auf allen Seiten der Elektronenbahn kompensiert. Die resultierende magnetische Kraft auf das Elektron ist dann ungefähr Null, und die Kraft des elektrischen Feldes bewegt das Elektron weiterhin auf annähernd geradliniger Flugbahn zur Anodenelektrode 60. Sogar wenn das Magnetfeld und die Elektronenge­ schwindigkeit nicht mehr parallel sind, übt das Magnetfeld nur einen ge­ ringen Einfluß auf die Elektronenbewegung aus.

Wenn im Gegensatz dazu ein Elektron die Spitze des Feldemis­ sionselements 52 in einem Winkel zu einer von der Spitze geradlinig nach außen und senkrecht zur Oberfläche der Anodenelektrode 60 verlaufenden Linie verläßt, treibt eine magnetische Kraft aufgrund des im Feldemis­ sionselement 52 enthaltenen Permanentmagneten das Elektron auf einen ge­ radlinigen Weg zurück. Diese Kraft ist stärker als der Effekt der divergierenden elektrischen Feldlinien, die die Spitze des Feldemissionselements 52 verlassen, und schafft einen stärker kollimierten Strahl.

An der Spitze des Feldemissionselements 52 und in dessen Nähe hat das elektrische Feld einen Wert von annähernd Null, während die magnetische Feldstärke relativ hoch ist. Wenn ein Elektron die Spitze in einem Winkel verläßt, übt das elektrische Feld einen geringen Einfluß aus, während das magnetische Feld einen größeren, wenn auch durch die geringe Elek­ tronengeschwindigkeit begrenzten Einfluß ausübt, um das Elektron zurück auf eine geradlinigere Flugbahn zu bringen. In größerer Entfernung von der Spitze des Feldemissionselements 52 nimmt die magnetische Feldstärke ab, während die elektrische Feldstärke zunimmt und so einen größeren Einfluß auf die Elektronenflugbahn gewinnt.

Die Gesamtkraft auf ein emittiertes Elektron ist durch

F_T = -e (E + v B sin)

gegeben. Unmittelbar außerhalb, der Spitze des Feldemissionselements 52 ist der Einfluß des E-Feldes gering, da das Potential V an der Kathoden­ elektrode 54 etwa Null ist. Außerdem ist die Elektronengeschwindigkeit klein, so daß die Kraft des magnetischen Feldes, wenn auch größer als die Kraft des elektrischen Feldes, ebenfalls unbedeutend, jedoch un­ gleich Null ist. Die Größe des elektrischen Feldes folgt aus dem Gra­ dienten des Potentials,

E_Z = -δV/δz

wobei die z-Richtung von der Kathodenelektrode 54 zur Anodenelektrode 60 verläuft und z an der Kathodenelektrode 54 gleich Null ist. An der Ka­ thodenelektrode 54 ist E_Z ≈ 0, da V ≈ 0. An der Spitze des Feldemissions­ elements 52 und in dessen Nähe hat das elektrische Feld einen geringen Ein­ fluß auf das Elektron, während das magnetische Feld dazu dient, ein di­ vergierendes Elektron auf den normalen Weg zurückzubringen. Man beach­ te, daß sich der Potentialwert stark ändert, wenn das Elektron sich in die Region zwischen Kathodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 bewegt.

Folglich ist das Elektron, wenn es sich von der Spitze des Feldemissionselements 52 entfernt, Kräften ausgesetzt, die seine Bewe­ gung längs einer im wesentlichen parallelen Schar von zunächst magneti­ schen, dann elektrischen Feldlinien einschränken. Das Ergebnis ist ein stark kollimierter Elektronenstrahl.

Eine andere Ursache einer Kraft auf das Elektron liegt in dem sich zwischen Gateelektrode 58 und Kathodenelektrode 54 aufbauenden Po­ tential. Bei einem Gateelektrodenpotential V_g ist die Kraft auf ein Elektron durch F_g = -e V_g gegeben. Da V_g typischerweise eine Größenord­ nung von 20 V oder weniger hat und das elektrische Potential wie im Fall der Anodenspannung an der Spitze des Feldemissionselements 52 oder in dessen Nähe aufgrund von F_g etwa Null ist, ist F_g klein genug, um eine Kon­ trolle der Elektronenbewegung durch das Magnetfeld des Feldemissionsele­ ments 52 in den Fällen zu ermöglichen, in denen das Elektron die Spitze des Feldemissionselements 52 in einem Winkel zur Normalen zwischen Kathodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 verläßt.

Um die Feldemissionselemente 52 mit einem ferromagnetischen Material 56 zu dotieren, kann ein kollimiertes Sputter-Verfahren oder eine Aufdampfmethode angewandt werden. Wenn eine Aufdampfmethode gewählt wird, sollte ein Zweifachquellenverdampfer verwendet werden. Ein typi­ scher ferromagnetischer Dotierungszusatz wäre Kobalt mit einer zweiten Verdampfungsquelle aus Molybdän. In diesem Fall sollte das Feldemis­ sionselement 52 zu etwa 5% aus Kobalt und zu etwa 95% aus Molybdän be­ stehen.

Die Feldemissionselemente 52 sollten mit dem ferromagnetischen Material 56 gleichmäßig dotiert sein. Das Anlegen eines starken elektri­ schen Feldes verwandelt die Feldemissionselemente 52 in permanentmagne­ tische Dipole mit einem magnetischen Nordpol am einen Ende (den Spitzen der Feldemissionselemente) und einem magnetischen Südpol am anderen Ende (den Grundflächen der Feldemissionselemente 52). Die magnetischen Feld­ linien verlaufen an den Polen am dichtesten und bilden an diesen Orten das stärkste Magnetfeld.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Feld von Feldemissionsele­ menten 52 sind diese auf einem Substrat 72 angeordnet, wobei eine iso­ lierende Schicht 74 auf der Kathodenelektrode 54 und um die Feldemis­ sionselemente 52 herum aufgebracht ist.

Claims (7)

1. Feldemissions-Elektronenquelle für Flachbildschirme mit einer Kathodenelektrode (54), auf der ein Feldemissionselement (52) aufgebracht und von der eine Anodenelektrode (60) getrennt ist und die eine Spannungsquelle (70) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen Kathodenelektrode (54) und Anodenelektrode (60) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldemissionselement (52) ein ferromagnetisches Material (56) zur Erzeugung eines Permanentmagneten enthält, der ein Magnetfeld außerhalb des Feldemissionselements (52) erzeugt.

2. Feldemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gateelektrode (58) das Feldemissionselement (52) umgibt und zwischen Kathodenelektrode (54) und Anodenelektrode (60) angebracht ist und Elektronen aus dem Feldemissionselement (52) herauslöst.

3. Feldemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material (56) Kobalt ist.

4. Feldemissions-Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material (56) innerhalb des Feldemissionselements (52) gleichmäßig verteilt ist.

5. Feldemissions-Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldemissionselement (52) kegelförmig ist.

6. Feldemissions-Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (62) vorhanden ist, der das Eintreffen von Elektronen nachweist, die von einer Anordnung von Feldemissionselementen (52) emittiert worden sind, und der als Antwort Photonen (64) erzeugt.

7. Feldemissions-Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Vielzahl von Feldemissionselementen (52) bestehendes Feld vorgesehen ist.