CN100533635C - 电子发射器件 - Google Patents

Abstract

提供了一种电子发射器件(10)。该器件包括电极排布(12)，该电极排布包括至少一个阴极(12A)和至少一个阳极(12B)，所述阴极和阳极以隔开关系排布；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露于激励照射，由此使得电子从所述阴极射出，该器件能够用作光电发射切换器件。

Description

电子发射器件

技术领域

本发明涉及一种电子发射器件，如二极管或三极管结构。

背景技术

二极管和三极管器件被广泛用于电子领域。这些器件中的一类利用了真空微电子学的原理，即，它们的运转基于电子在真空中的弹道式运动[Brodie，Keynote address to the first international vacuum microelectronicsconference，June 1988，IEEE Trans.Electron Devices，36，11 pt.22637，2641(1989)；I.Brodie，C.A.Spindt，in“Advances in Electronics and ElectronPhysics”，vol.83(1992)，p.1-106]。根据真空微电子学的原理，当被局部施加了极高的电场(超过1V/nm)时，电子通过场发射而从阴极射出，并穿过障壁电位(barrier potential)[R.H.Fowler，L.W.Nordheim，Proc.RoyalSoc.London A 119(1928)，p.173]。

美国专利No.5,834,790公开了一种具有场发射冷阴极的真空微器件。该器件包括第一电极和第二电极。第一电极具有带尖锐顶端的突出部分。在第一电极的除突出部分的该尖锐顶端以外的区域中形成有绝缘膜。第二电极形成在该绝缘膜上的除了该突出部分的尖锐顶端之外的区域中。结构基板与第一电极的下表面相结合，并在与第一电极的下表面结合的表面中具有凹陷部分。该凹陷部分的尺寸大到足以覆盖在第一电极的下表面上形成的反映突出部分的尖锐顶端的凹陷。形成在结构基板中的凹陷部分的内部与该器件外部的大气相通。第二电极的表面上形成有支撑结构，用于包围形成在第一电极上的各个突出部分。利用这种结构可以提供一种真空微器件，其能够抑制由于空隙(void)而导致的特性变化，并表现出良好的长期稳定性。

另一类三极管(晶体管)是基于“固态微电子学”原理的半导体器件，其中电荷载流子被限定在固体中，并在与晶格的相互作用中减少[S.M.Sze，Physics of semiconductor devices，Interscience，2^nd edition，New York]。在这种器件中，在半导体中传导电流，所以电子的移动速度受到晶格或其中的杂质的影响。基于半导体的有源电子器件的主要缺点是，电子迁移受到半导体晶格的阻碍，这对于这些器件的小型化和切换速度都产生了限制。

真空微电子器件具有超过固态微电子器件的潜在优势。因为真空微电子器件仅基于金属和电介质，所以它们具有对于不利环境状况(诸如温度和辐射)的高度免疫力。这些器件可以实现非常高的工作频率，因为电子的速度并没有受到与晶格的交互作用的限制[T.Utsumi，IEEE Tans.Electron Devices，38，10，2276(1991)]。通常，真空微电子器件具有良好的输出电路(输电回路)特性：低输出电导、高电压和高功率处理能力。然而，其输入电路(控制回路)特性相对较差：它们具有低电流承载能力(current capability)、低跨导、高调制/接通电压以及较差的噪声特性。结果，尽管在该领域进行了大量的研究工作，但是这些器件仅在极个别应用中得到了应用，尤其是RF信号放大器和源[S.Iannazzo，Solid StateElectronics，36，3，301(1993)]。

大多数目前的电子装置都基于如下器件，该器件由基于Si或者化合物半导体的结构制成。由于这些器件的固有电阻率，电子在器件中的传输会产生热量。该热量是试图使每个给定面积的集成电路内的晶体管的数目最大化的主要障碍。

已经开发出了使用microtip型真空晶体管的半导体器件。其中，电子在真空中移动，因此是以最高速度移动。因此，真空晶体管可以在超高速度下工作。然而，它们的缺点在于不稳定、具有相对短的寿命，以及需要相对高的电压来进行工作。

美国专利No.6,437,360公开了一种类似MOSFET的平面(flat)或垂直晶体管结构以实现真空场晶体管(VFT)，其中电子在真空自由空间中行进，因此实现了使用这种结构的器件的高速运作。平面型结构由以下部分构成：由导体制成的源极和漏极，该源极和漏极在薄沟道绝缘体上隔开预定距离，其间具有真空沟道；由导体制成的栅极，该栅极以一定宽度形成在源极和漏极下方，该沟道绝缘体用于使栅极与源极和漏极绝缘开；以及绝缘体，其用作用于支撑沟道绝缘体和栅极的基底。该真空场晶体管包括位于源极与真空沟道之间以及漏极与真空沟道之间的接触区域中的低功函材料。垂直型结构包括：形成在沟道绝缘体上的导电的连续环型源极，其中央为空；形成在沟道绝缘体下方的导电栅极，其跨越源极延伸；绝缘体，其用作支撑栅极和沟道绝缘体的基底；绝缘壁，其竖立在源极上，形成了密闭的真空沟道；以及形成在真空沟道上方的漏极。在这两种类型中，都在栅极、源极和漏极之间施加了适当的偏压，以使得电子能够经由真空沟道从源极被场发射到漏极。

GB 347544描述了一种气体或蒸汽填充的光电电池。这种电池的栅格与阴极的距离等于或小于填充物中的电子的自由程。阳极由光所穿过的环构成。栅格被升压至不超过10伏的电势，优选地为1至5伏，以防止电子返回阴极。填充物可以是压力为1mm汞柱的氩或者氖。

US 4,721,885公开了一种极高速的集成微电子管。微电子管的阵列包括板状基板，其上放置有尖针状阴极的阵列。该阵列中的每个管都包括与阴极隔开的阳极。每个管都包含压力在大约1/100与1个大气压之间的气体，并且阴极的顶端与阳极之间的间隔等于或小于大约0.5μm。这些管在以下电压下工作，该电压使得在阴极与阳极之间的气体中行进的电子的平均自由程等于或大于阴极的顶端与相关联的阳极之间的间隔。

US 4,990,766公开了一种固态电子放大器。这种显微电压控制场发射电子放大器件由场发射阴极的密集阵列构成，采用各个阴极阻抗来调制和控制该器件的场发射电流。这些阻抗被选择为对于诸如光、X射线、红外辐射或粒子轰击的外部刺激敏感；从而场发射电流与控制刺激的强度成比例地进行空间变化。在提供磷光屏或其他适当的响应元件时，该器件可以用作固态图像转换器或增强器。

WO 96/10835公开了一种针对在光敏表面上进行打印的光学打印机的使用场发射CRT的打印头。由阳极孔径中的阴极发射锥构成的多个小电子元件(set)形成了间隙，该间隙小于周围环境中的电子平均自由程，并且这些元件优选地为紧密地间隔开，以形成基本上柱状束。第三电极优选地对与阴极隔开的束进行加速和清洁。该束随后入射到发光膜上，使之被激发，由此产生光。光透过诸如纤维光学面板的透射面板，入射在光敏材料上。

发明内容

在本技术领域中存在以下需求：通过提供新颖的电子发射器件，总体上显著地提高电子器件的性能，特别是晶体管的性能，并使其制造和操作便捷化。

根据本发明的电子发射器件基于一种新技术，与所指定种类的传统器件相比，其能够消除对于器件内部的真空环境的需要，或者至少显著地降低对于其的需求；使得能够在阴极与阳极之间更大的距离下有效地进行器件操作，以及更加稳定、能够在高电流下进行的操作，并且该电子发射器件实际上不会产生极大的能量浪费，并且抗辐射。这些是通过利用光电效应而实现的，根据光电效应，只要光子能量超过该导电材料的功函，则光子被用于将电子从固体导电材料射出。

本发明的器件被构造为电子发射切换器件。术语“切换”表示使流经器件的电流(阴极与阳极之间的电流)发生变化，包括诸如以下的效果：工作模式与非工作模式之间的切换、改变电流、放大电流等。这种切换可以通过以下方式来实现：在保持该器件的电极之间的特定电势差的同时改变阴极的照射；或者在维持阴极的照射的同时改变该器件的电极之间的电势差；或者这些技术的组合。

根据本发明的一个广泛方面，提供了一种电子发射器件，包括如下电极排布，该电极排布包括至少一个阴极和至少一个阳极，所述阴极和阳极以隔开关系排布；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露至激励照射，由此使得电子从所述阴极射出，该器件能够用作光电发射切换器件。

第一电极与第二电极之间的间隙可以是气体介质间隙(如空气)或者真空间隙。间隙中的气压低到足够保证从阴极加速到阳极的电子的平均自由程大于阴极与阳极之间的距离(大于间隙长度)。

电极可以由金属或半导体材料制成。优选地，阴极具有相对较低的功函或者负的电子亲和势(如同在钻石和涂铯的GaAs表面中)。这可以通过用适当的材料来制造电极或者/以及通过在阴极上提供有机或无机涂层(在表面上产生偶极层的涂层，其降低了功函)来实现。

阴极可以形成有带尖锐边缘的部分，如，该部分的横截面尺寸基本上不超过60nm(如，半径30nm)。

该器件与控制单元相关联，该控制单元用于实现切换功能。该控制单元可以进行操作以保持阴极的照射，以及通过影响阴极与阳极之间的电势差来影响切换并由此影响它们之间的电流。另选地，该控制单元可以通过对照射组件进行适当操作而产生照射的改变，来实现切换功能，并且由此影响电流。

电极排布可以包括：与一个或更多个阳极相关联的阴极阵列(至少两个)；或者与该同一阴极相关联的阳极阵列(至少两个)。例如，考虑多个阳极和单个阴极的排布，控制单元可以进行操作，以维持阴极的照射，并通过改变阴极与各个阳极之间的电势差，对其间的电流进行控制。通常来讲，可以在本发明的器件中使用阴极和阳极的各种组合，例如，电极排布可以是奇异结构的形式。阴极和阳极可以容纳在公用平面内，或者分别容纳在不同的平面内。

电极排布可以包括与阴极和阳极电绝缘的至少一个附加电极(栅极)。该栅极可以是平面的也可以不是平面的(例如，柱形)。该栅极可以被构造为位于阴极与阳极之间的栅格。该栅极可以容纳在与阴极和阳极所处平面间隔开并且平行的平面内；或者阴极、阳极和栅极都位于不同平面内。

栅极可以用来控制阴极与阳极之间的电流。例如，控制单元执行操作，以维持阴极的特定照射，并通过改变提供给栅极的电压来影响阴极与阳极之间的电流(在它们之间保持特定电势差)。

电极排布可以包括以隔开关系排布的、与阴极和阳极电绝缘的栅极阵列。该器件例如可以用来实现各种逻辑电路，或者顺序切换各种电路。

通常，电极排布可以是任何适当的结构，像例如设计用来降低电容的四极管、五极管等。

电极排布可以包括与一对阴极和阳极相关联的阳极阵列。例如，控制单元用于维持阴极的特定照射，并通过改变提供给栅极的电压来对阴极与阳极之间的电流进行控制。

照射组件可以包括一个或更多个光源，并且/或者利用环境光。在某些非限定示例中，照射组件可以包括低压放电灯(如，Hg灯)，和/或高压放电灯(如，Xe灯)，和/或连续波激光器件，和/或脉冲激光器件(如，高频)，和/或至少一个非线性晶体，和/或者至少一个发光二极管。

阴极和阳极可以由铁磁材料制成，不同之处在于它们的磁矩方向是相反的，由此使得可以实现自旋阀(Phys Rev.B，Vol.50，pp.13054，1994)。因此，通过使阴极和阳极之一在其上旋状态与下旋状态之间切换，该器件可以在其非工作位置与工作位置之间切换。为此，该器件包括磁场源，其可以向电极排布施加外部磁场。外部磁场的施加使得电极之一在其上旋状态与下旋状态之间切换。

阴极可以由非铁磁金属或半导体制成，而阳极可以由铁磁材料制成。在这种情况下，照射组件被构造为能够产生圆环形(circular)偏振光，以从阴极射出自旋偏振电子。该器件可以通过以下操作在其工作位置与非工作位置之间切换：改变照射阴极的光的偏振态；或者使阳极在上旋与下旋高透射率(transmission)状态之间变化。照射光的偏振态的改变可以通过以下操作来实现：在所发出光的光路中使用发出特定偏振态的光的一个或更多个光源，以及偏振旋转器(例如λ/4片)；或者使用分别发出不同偏振态的光的光源，并选择性地对光源之一进行操作。

阴极可以设置在对于用来激励阴极的波长范围透明的基板上。在这种情况下，照射组件可以被定位为通过该透明基板来照射阴极。另选地或者另外地，承载阳极的基板(也可以是阳极)可以是透明的，并且位于与阴极的平面间隔开的平面中，由此使得可以通过阳极承载基板的阳极外部的区域(或者根据具体情况，通过阳极承载基板和阳极)来照射阴极。

根据近来纳米技术的发展，通常，并且具体地在光学微影术中，本发明的器件可以被制造成低成本的亚微米结构。电极排布是集成结构，包括：第一和第二基板层，用于承载阴极和阳极；以及第一与第二基板层之间的间隔体层结构。对该间隔体层结构进行构图，以在阴极与阳极之间限定一间隙。间隔体层结构可以包括至少一个介电材料层。例如，间隔体层结构包括第一和第二介电层以及它们之间的导电层(栅极)。第一基板和第二基板中任意一个或者两者由相对于激励波长范围透明的材料制成，由此使得可以照射阴极。

电极排布可以是被构造为限定子单元的阵列的集成结构，每个子单元的结构都如上所述。即，该集成结构包括：第一基板层，用于承载隔开阴极的阵列；第二基板层，用于承载隔开阳极的阵列；以及第一和第二基板层之间的间隔体层结构。对该间隔体层结构进行构图，以在第一电极阵列与第二电极阵列之间限定隔开间隙的阵列。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子发射器件，包括电极排布，该电极排布包括以隔开关系排布的至少一个阴极和至少一个阳极；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露于激励照射，以使得电子从该阴极射出，通过对阴极与阳极之间的电流产生影响，该器件能够用作光电发射切换器件，所述切换通过以下中的至少一个变得有效：改变阴极的照射，以及改变阴极与阳极之间的电场。

通过改变阴极与阳极之间的电势差，或者在使用至少一个栅极时通过改变提供给栅极的电压，可以改变该电场。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子发射器件，包括电极排布，该电极排布包括至少一个阴极、至少一个阳极，以及以隔开关系排布的至少一个附加电极；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露于激励照射，以使得电子从所述至少一个被照射的阴极朝向所述至少一个阳极射出；通过对阴极与阳极之间的电流产生影响，该器件能够用作光电发射切换器件，所述切换通过以下至少一个变得有效：改变阴极的照射，以及改变阴极与阳极之间的电场。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子发射器件，包括电极排布，该电极排布包括至少一个阴极和至少一个阳极，所述阴极和阳极以隔开关系排布，其间具有气体介质间隙；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露于激励照射，以使得电子从所述至少一个被照射的阴极射出，该器件能够用作光电发射切换器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子发射器件，包括电极排布，该电极排布包括以隔开关系排布的至少一个阴极、至少一个阳极以及至少一个附加电极；该器件被构造为使所述至少一个阴极暴露于激励照射，以使得电子从所述至少一个被照射的阴极向所述至少一个阳极射出；该器件能够用作光电发射切换器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种集成器件，其包括可用作电子发射单元的至少一个结构，所述至少一个结构包括分别由第一基板层和第二基板层承载的至少一个阴极和至少一个阳极，二者通过包括至少一个介电层的间隔体层结构而彼此隔开，对该间隔体层结构进行构图，以在阴极与阳极之间限定一间隙，第一基板和第二基板中至少一个由相对于特定激励辐射透明的材料制成，从而使得能够进行所述至少一个阴极的照射，以从所述阴极发射出电子，该器件能够用作光电发射切换器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种集成器件，其包括可用作电子发射单元的至少一个结构，所述至少一个结构包括分别由第一基板层和第二基板层承载的至少一个阴极和至少一个阳极，二者通过间隔体层结构彼此间隔开，该间隔体层结构包括第一介电层和第二介电层以及这两个介电层之间的导电层，对该间隔体层结构进行构图，以在阴极与阳极之间限定一间隙，第一和第二基板中的至少一个由相对于特定激励辐射透明的材料制成，从而使得能够进行阴极照射，以从所述阴极发射出电子，该器件能够用作光电发射切换器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种集成器件，其包括可用作电子发射单元的结构的阵列，该器件包括：承载着隔开的阴极的阵列的第一基板层；承载着隔开的阳极的阵列的第二基板层；以及所述第一基板与所述第二基板之间的间隔体层结构，该间隔体层结构包括至少一个介电层并且被构图以限定间隙阵列，各个间隙位于各个阴极与阳极之间，第一基板和第二基板中至少一个由相对于特定激励辐射透明的材料制成，由此使得可以进行阴极照射，而从该阴极发射出电子，该器件可以用作光电发射切换器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种将电子发射装置用作光电发射切换器件的方法，该方法包括以下步骤：用特定激励辐射来对阴极进行照射，以使电子从阴极向阳极发射；以及通过以下中至少一个来影响切换：可控地改变阴极的照射、以及可控地改变阴极与阳极之间的电场。

如上所述，阴极和阳极可以通过气体介质间隙(如，空气、惰性气体)彼此隔开。这种器件可以利用也可以不利用光电效应。这种装置基于一种新技术，即所谓的“气体纳米技术”。这种技术不存在真空微电子器件的缺陷，并且，与现有的基于半导体的电子学相反，不会有大量的能量耗散，并且抗辐射。本发明的这种气体纳米器件在空气或其他气体环境中提供电子的通道。该器件可以被构造为或者可以用作切换器件或者显示器件。

因此，根据本发明的又一方面，提供了一种电子发射器件，包括电极排布，该电极排布包括至少一个单元，该至少一个单元具有以隔开关系排布的至少一个阴极和至少一个阳极，所述阳极和阴极通过气体介质间隙彼此隔开，该气体介质间隙基本上不超过所述气体介质中的电子的平均自由程。

附图说明

为了理解本发明并了解如何可以在实际中执行本发明，下面仅通过非限定示例的方式，参照附图来说明优选实施例，图中：

图1是根据本发明一个实施例的可用作二极管结构的电子光电发射切换器件的示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的被设计为三极管结构的电子光电发射切换器件的示意图；

图3A-3C示出了适于在图2的器件中使用的电极排布设计的几个示例；

图4例示了本发明的电子光电发射切换器件的另一结构，其中电极排布包括与一公共阴极相关联的阳极阵列；

图5示意性地示出了本发明的电子光电发射切换器件的另一结构；

图6示出了结构如图1所示的本发明的电子发射器件的操作的实验结果；

图7A至7C示出了体现本发明特征的另一实验结果，其中图7A示出了被设计为简单平面三极管结构的本发明的电子光电发射切换器件；并且图7B和7C示出了如下测量结果：图7B示出了对于栅格上的不同电压，在阳极上测得的电压-电流特性，而图7C示出了作为栅极电压对于阳极上的不同电压的函数的阳极电流；

图8A至8E例示了本发明的电子光电发射切换器件在微米级别下的实现，其中图8A示出了呈现图8B的多单元器件的基本单元的器件；而图8C至8E示出了对图8A的器件的操作的静电仿真；以及

图9A至9C示出了本发明的电子光电发射切换器件的另一示例，被构造为并且可以用于利用晶体管结构中的自旋电子效应(spintroniceffect)。

具体实施方式

参照图1，示意性地示出了根据本发明一个实施例而构造的电子器件10。该器件被构造为并且可以用作电子光电发射切换器件。在本示例中，该器件具有二极管结构外形。器件10包括电极排布12，该排布由以隔开关系排布在基板14顶部上且其间具有间隙15的第一阴极12A和第二阳极12B形成。该器件被构造为使阴极12A暴露于激励辐射，从而使电子从阴极向阳极发射。如本示例所示，该器件包括照射组件20，该照射组件20被定位用于至少对阴极12A进行照射，从而使得可以从阴极向阳极发射电子。

通过进行阴极照射并且在阳极与阴极之间适当地施加电场，来对切换(即，影响阴极与阳极之间的电流)进行控制。例如，阴极与阳极之间可以维持特定电势差，并且通过改变照射强度来实现切换。实现切换的另一示例为：在维持特定照射强度的同时，改变电极之间的电势差。另一个示例为修正照射以及电极之间的电势差二者。应该注意，可以通过各种方式来实现照射的改变，例如通过改变发光组件的工作模式、通过修正出射光的偏振或相位等等。器件10与控制单元22相关联，控制单元22包括用于向阴极和阳极提供电压的电源单元22A，以及用于操作照射器20的适当照射控制设备22B等。

阴极12A和阳极12B可以由金属或半导体材料制成。阴极12A优选地为减功函电极。可以使用负电子亲和势(NEA)材料(如钻石)，由此减小了感生光电发射所需的光子能(激励能)。减小功函的另一种方式是利用减小了功函的有机或无机材料(图中以虚线例示的涂层16)来涂覆或掺杂阴极12A。该材料例如可以是金属、多碱、双碱或者任意NEA材料，或者涂覆或掺杂有铯的GaAs电极，由此获得大约1-2eV的功函。有机或无机涂层还用于保护阴极免受污染。

照射组件20可以包括一个或更多个光源，所述光源可以在包括针对该器件中使用的阴极的激励照射的波长在内的波长范围内工作。该照射组件20可以是但并不限于低压灯(如Hg灯)、其他灯(如高压Xe灯)、连续波(CW)激光或脉冲激光(高频脉冲)、一个或更多个非线性晶体、或者一个或更多个发光二极管(LED)、或者任意其他光源或多个光源的组合。

可以直接或者通过透明基板14(如图中虚线所示)将照射组件20所产生的光施加给(一个或多个)电极。

阴极12A和阳极12B可以通过真空或气体介质(如空气、惰性气体)间隙15彼此间隔开。如图中虚线所示，可以对整个器件10或者仅仅是其电极排布进行封装并充入气体。应该理解，气压足够低，以确保从阴极加速到阳极的电子的平均自由程大于阴极与阳极之间的距离(间隙15的长度)，由此消除了对于电极之间的真空的要求，或者至少显著地降低了真空需求。例如，对于阴极层与阳极层之间的10微米的间隙，可以使用几mBar的气压。换句话说，电极12A与12B之间的间隙15的长度基本上不超过该气体环境中的电子的平均自由程。

然而，应该理解，本发明的原理(阴极照射)可以有利地用在传统的基于真空的场发射器件中，由此显著地降低了对于阴极材料的低功函以及/或者几何学要求，以及/或者降低了对于强电场的要求。

如图1中虚线所示，阴极12A可以被设计为具有非常尖锐的边缘17，如，其横截面尺寸大致不超过60nm(如半径小于大约30nm)。较之具有平坦边缘的阴极的设计，这种阴极的设计通常用于使该器件在较低的电势下工作。然而，注意以下事项非常重要：使用阴极照射实际上消除了对于使阴极具有尖锐边缘的要求。本发明的器件(其中使用阴极的照射)与指定类型的转换器件相比，本发明的器件的特征在于：电流稳定性更加出色，对于电极的表面作用的变化更加迟钝，以及可能在阴极与阳极之间更大的距离下、更弱的施加电场下实现有效的器件操作，并且无需阴极具有尖锐的边缘。使用阴极照射使得以较低电压进行工作，即，抵达阳极的电子的能量较低，由此防止了对于阳极的诸如溅射和蒸发的不利影响。

图2示意性示出了被设计为三极管结构的本发明的电子光电发射切换器件100。为了便于理解，在本发明的所有示例中，使用相同的标号来表示共用的部件。器件100包括电极排布12，该排布12由通过间隙15(真空或气体介质间隙)彼此隔开的阴极12A和阳极12B，以及与阴极和阳极电绝缘的栅极12C形成。在本示例中，栅极12C位于阳极12B上方，通过绝缘体18与其间隔开。设置有电子提取器(照射器)20，以将其容纳为直接(如图中所示)或经由透光基板14至少对阴极进行照射。

在图2的结构中，电极12B和12C分别用作阳极和切换控制元件。更具体地，在维持阴极的特定照射以及阴极与阳极之间的特定电势差的同时，通过选择性地对栅极提供电压来实现阴极与阳极之间的电流的变化。

然而，应该理解，还可以使用另一种结构来实现这种切换。例如，通过切换电极12B和12C、通过使电极12B和12C并排放置、通过完全省去“栅极”12C并且通过电极12A与12B之间所提供的电压来控制它们之间的电流(如图1的结构所示)，以及/或者通过改变照射强度。

图3A至3C以显而易见的方式示出了适于用在器件100中的电极排布设计的几个可能的但并非限定性的示例。

图4例示了本发明的电子光电发射切换器件的另一结构，总体表示为200。此处，电极排布12包括阴极12A以及多个隔开的阳极12B的阵列(通常至少为两个)(本示例中示出的是排布成弧形或圆环形阵列的四个这种阳极)。如上所述，阳极12B根据其间使用了真空还是气体介质间隙而与阴极12A适当地隔开。容纳有照射器20，以对阴极层进行照射，本示例中，经由其上承载着阴极的透光基板14来实现照射。阴极和阳极中的每一个都是通过电源来独立定址(address)的。在器件工作期间，控制单元22对照射器进行操作，以维持阴极的特定照射(或者可控地改变对其的照射)，由此使得可以从阴极提取出电子，并选择性地在阴极与各个阳极之间施加电势差。这样就可以产生/复用数据流序列。

参照图5，图5示意性示出了本发明的电子光电切换器件300的又一结构。该器件300包括电极排布12以及照射器20。电极排布12包括阴极12A、单个阳极和多个栅极、或者单个栅极和多个阳极。在本示例中，使用了栅极12C和N个阳极的阵列(图中示出了五个这种阳极12B(1)至12B(5))。容纳有照射器20，用于对阴极12A进行照射。在本示例中，该器件被构造为使得可以通过透明基板14来进行阴极照射。可以通过改变提供给栅极12C的电压，同时维持提供给阴极和阳极的特定电压，并且维持阴极12A的特定照射(或者可控地改变照射)，来产生/复用数据流序列。栅极12C的电压变化确定了从阴极到阳极的电子路径：增大栅极12C上的负电压的绝对值产生了从阴极到各个阳极12B⁽¹⁾、12B⁽²⁾、12B⁽³⁾、12B⁽⁴⁾、12B⁽⁵⁾的顺序电子通道。

图6示出了结构与图1的上述器件10相同的电子发射器件的操作的实验结果。曲线G给出了在使照射组件(图1中的20)在其工作(开灯)与非工作(关灯)位置之间切换时，流经该器件的电流随时间的变化。在本示例中，阴极和阳极彼此隔开45nm，并且其间保持大约4.5V的电势差。

下面参照图7A至7C，这些图示出了表示本发明的特征的另一实验结果。

图7A示出了被设计为简单的平面三极管结构的本发明的电子光电发射切换器件400。该器件被真空密封，并且使用光源组件(照射器)20经由透光基板14从外部照射半透明光电阴极12A。电极排布12还包括阳极12B，以及阴极与阳极之间的格状的栅极12C。

基板14是500μm厚的熔融氧化硅玻璃。光电阴极12A由基板14表面上的光电发射涂层制成。光电阴极是通过E光束蒸发(0.1nm/sec)淀积在该基板上的15nm厚的W-Ti(90％-10％)。栅格12C由直径为50μm的隔开的平行金属导线的阵列形成，并且导线之间的间隔(中心到中心)为150μm。阳极12B由铜制成，并具有10mm的厚度。光源20是在有效范围(240-280nm)内并且光输出功率为100mW的UV源(超压汞灯)。通过专门的液体光波导21将光引导至光电阴极的背面。电极排布12被密封在陶瓷封装中，在进行测量之前，(使用简单的真空泵)将空气泵出该封装，以获得10^-5托的压力。在测量过程中，使光电阴极12A保持接地。

图7B和7C示出了测量结果，其中图7B示出了对于栅极12C上的不同电压，在阳极(图7A中的12B)上测得的电压-电流特性，而图7C示出了作为栅极电压对于阳极12B上的不同电压的函数的阳极电流。图7B中的曲线H₁至H₁₃分别对应于以下栅极电压值：0.4V、0.2V、0.0V、-0.2V、-0.4V、-0.6V、-0.8V、-1.0V、-1.2V、-1.4V、-1.6V、-1.8V以及-2.0V。图7C中的曲线R₁至R₁₀分别对应于阳极上的以下电压：10V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V 90V和100V。

发明人已经展示了，通过用这种更加有效的光电发射材料(例如Cs-Sb)来代替W-Ti光电阴极，可以获得量级高六次的电流，同时在可见光谱范围内，使得可以使用简单的LED来代替UV光源。

下面参照图8A至8E，这些图例示了本发明的电子光电发射切换器件在微米级别下的另一实现。这种器件可以通过多种已知的半导体技术而制造出。图8A示出了表示图8B中所示的多单元器件600的基本单元的器件500。图8C至8E示出了图8A的器件的操作的静电仿真。

如图8A所示，器件500包括电极排布12和照射器20。电极排布12是多层(堆叠)结构23，其限定了通过其间的间隙15而隔开的阴极12A和阳极12B，间隙15由间隔体层结构限定，在晶体管结构的本示例中，该间隔体层结构包括栅极12C。

结构23包括：底基板层L₁(绝缘体材料，如玻璃)，其承载着由高导电性材料(如，铝或金)制成的阳极层12B；介电材料层L₂(如，厚度例如大约为1.5μm的SiO₂)；栅极层L₃，由厚度例如为大约2μm的高导电性材料(如，铝或金)制成；另一介电材料层L₄(如厚度大约为1.5μm的SiO₂)；以及上基板层L₅，由对于激励辐射的光谱范围内的光透明的材料(如石英)制成，并承载着由半透明光电发射材料(如，厚度为几十纳米)制成的阴极层12A。对间隔体层结构(电介质和栅极层L₂至L₄)进行构图，以在阴极12A与阳极12B之间限定间隙15，并限定栅格电极12C。在本示例中，间隙15是宽度大约为3μm、高度大约为5μm的真空沟。

应该注意，承载着基板L₁的阳极可以是透明的，并且可以经由间隙15从器件的阳极侧对反射阴极施加照射。在阳极占据了阴极下方的基板L₁的整个表面的情况下，阳极也可以为透光的。否则，照射就经由基板L₁的位于其阳极承载区以外的区域被引导至阴极。

应该理解，可以使用各种其他结构来设计器件500(以及图8B的器件600)，例如，阳极和阴极可以在位置上交换，阳极和阴极之一或者两者可以覆盖相应基板的整个表面(尽管这会导致高得多的电极间电容，并因此导致高频下更差的性能)。上基板L₅和其上的电极层(本示例中的阴极层12A)可以通过晶片结合、芯片倒装或任意其他技术而放置在介电层L₄上。层的厚度和间隙15的宽度可以相对于彼此显著变化，而不会破坏器件的基本功能。所有的尺寸都可以增大或减小几个量级，而仍然保持器件操作的相同原理。

为了从电子发射器件获得更高的输出电流，可以将几个这种腔500并联连接在一起，例如图8B所示，图8B示出了由四个子单元500形成的器件600。

应该注意，可以使沟15相对较宽(沿水平面的尺寸)，如几毫米。包含并排放置的几千个这种宽沟在内的整个器件600可能占据大约1cm²的面积，因此产生了相对较高的电流值。为了获得累积电流量，将阳极12B、阴极12A以及栅极12C全部并联连接(图中未示出互连)。另选地，以上器件单元可以被单独访问，如，用于产生相位阵列。还应该注意，照射器20可以包括单个光源组件，并将光适当地引导至单元500(如经由光纤)。

图8C至8E示出了器件500或者器件600的子单元的操作的静电仿真。为了便于说明，仅示出了电极，即，光电阴极12A、阳极12B以及栅极12C。在这些仿真中，对光电阴极12A进行照射并将其保持在0V，而将阳极12B保持在5V。图8C示出了当栅电压为0V(全阳极电流)时的电子轨迹。图8D示出了栅电压为-0.7V时的情况，而图8E对应于栅电压为-1V(无阳极电流)的情况。以0.15eV的能量Ek射出电子。

下面参照图9A至9C，图中示出了被构造为并且用于利用晶体管结构中的自旋电子效应的本发明器件的另一实现。

图9A示出了本发明的电子光电发射切换器件700A，其包括：由电极排布12(阴极12A、阳极12B以及栅极12C)形成的晶体管结构；照射器20；以及磁场源30。阴极和阳极由磁矩方向相反的不同铁磁材料制成，因此实现了自旋阀。在阴极和阳极都处于上旋状态下进行操作可以改进信噪比。对磁场源30进行操作以向电极排布施加外部磁场，使得阴极或阳极在上旋状态与下旋状态之间切换，由此导致晶体管在导通与截止状态之间进行切换。

图9B和9C例示了电子光电发射切换器件700B和700C，其中阴极由非铁磁金属或半导体制成，而阳极由铁磁材料制成。在这种情况下，当对照射器20进行适当配置和操作以选择性地向阴极施加不同偏振的光时，可以从阴极射出自旋偏振的电子。如图9B的示例所示，照射器20包括配有偏振旋转器20B(例如λ/4片)的单光源组件20A。在图9C的示例中，照射器20包括分别产生不同偏振的光P₁和P₂的两个光源组件(LS)21A和21B。在这些示例中，通过改变照射光的偏振(即，对图9B的示例中位于照射光的光路中的偏振旋转器20B进行选择性操作，或者对图9C的示例中的光源21A和21B之一进行选择性操作)，或者通过使阳极在上旋与下旋高透射率状态之间切换，来实现晶体管在导通与截止状态之间的切换。

应该注意，图9C的器件结构可以用来控制阴极与阳极之间的电流。在这种情况下，以不同的比例操作光源21A和21B。此外，在所有上述器件中，可以使用多于一个的阴极、阳极、栅极和光源。

如上所述，阴极与阳极之间的间隙可以是气体介质间隙(如空气、惰性气体)而非真空间隙。气体介质间隙的长度基本上不超过该气体环境中的电子的平均自由程。例如，间隙长度在几十纳米(如50nm)到几百纳米(如800nm)的范围内。

考虑阴极与阳极之间有气体介质间隙并且没有光电效应(如，图1或图2中没有照射器20)的器件结构，可以如下来实现切换：影响阴极与阳极之间的电势差，由此影响其间的电流；或者将阴极和阳极维持在特定的电势差，并且影响施加给栅极的电压。返回到图9A，应该理解，相同的原理也适用于这种基于气体介质、不利用光电效应来实现自旋阀的器件。

本领域的技术人员可以容易地理解，可以在不脱离在所附权利要求中以及由其限定的本发明的范围的情况下，对如上所述的本发明的实施例进行各种修改和变化。

Claims (43)

1、一种电子切换器件(10、100、200、300、400、50、600、700A、700B、700C)，该电子切换器件包括电极排布(12)和控制单元，该电极排布包括至少一个光电发射阴极(12A)和至少一个阳极(12B)，所述阴极和阳极以隔开关系排列，该电子切换器件被构造为使所述至少一个光电发射阴极暴露于来自照射组件(20)的激励照射，由此使得电子从所述阴极射出，该控制单元能用于连接至照射组件和电极排布之一或两者，以通过分别执行以下操作之一或两者来对阳极电流进行影响，从而实现切换功能：(i)可控地修正阴极的照射，以及(ii)可控地修正电极排布内的电场。

2、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和阳极被气体介质间隙隔开。

3、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和阳极被真空间隙隔开。

4、根据权利要求2所述的器件，其中，气压被选择为足够低，以确保从阴极加速到阳极的电子的平均自由程大于阴极与阳极之间的间隙的长度。

5、根据权利要求1所述的器件，其中，所述电极排布包括以隔开关系排列的阳极的阵列。

6、根据权利要求1所述的器件，其中，所述电极排布包括以隔开关系排列的阴极的阵列。

7、根据权利要求1所述的器件，该器件被构造为通过可控地改变阴极与阳极之间的电势差，来影响阳极电流。

8、根据权利要求1所述的器件，其中，所述电极排布包括与阴极和阳极电绝缘的至少一个附加电极。

9、根据权利要求8所述的器件，其中，所述附加电极被构造为位于阴极与阳极之间的栅格。

10、根据权利要求8或9所述的器件，其中，所述附加电极容纳在与阴极和阳极所处的平面隔开的平面内。

11、根据权利要求8或9所述的器件，其中，所述阴极、阳极和附加电极中的至少一个位于不同的平面内。

12、根据权利要求8所述的器件，该器件被构造为通过可控地修正施加给所述至少一个附加电极的电压，由此可控地改变所述电场，来影响阳极电流。

13、根据权利要求12所述的器件，该器件被构造为保持阴极的照射，并且保持阴极与阳极之间的特定电势差。

14、根据权利要求12所述的器件，该器件被构造为可控地修正阴极的照射，由此影响阳极电流。

15、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极形成有带尖锐边缘的部分。

16、根据权利要求1所述的器件，该器件包括照射组件，该照射组件能够在包括用于使电子从阴极射出的激励照射波长范围在内的波长范围内工作。

17、根据权利要求16所述的器件，其中，所述照射组件包括以下中的至少一个：低压放电灯、高压放电灯、连续波激光器件、脉冲激光器件、至少一个非线性晶体，以及至少一个发光二极管。

18、根据权利要求17所述的器件，其中，所述照射组件包括Hg灯。

19、根据权利要求17所述的器件，其中，所述照射组件包括Xe灯。

20、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极涂覆或掺杂有有机或无机材料。

21、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和所述阳极由金属材料制成。

22、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和所述阳极由半导体材料制成。

23、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和所述阳极中的一个由金属制成，另一个由半导体材料制成。

24、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和所述阳极中的一个由金属制成，另一个由金属和半导体的混合物制成。

25、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极和所述阳极由磁矩方向相反的不同铁磁材料制成，该器件因此可用作自旋阀，使所述阴极和所述阳极中的一个在其上旋状态与下旋状态之间切换使得该器件在其非工作位置与工作位置之间切换。

26、根据权利要求25所述的器件，该器件被构造为通过相对于彼此切换阴极和阳极的磁化，在该器件的不同模式之间切换。

27、根据权利要求25或26所述的器件，该器件包括能够用来向所述阴极和所述阳极施加外部磁场的磁场源，外部磁场的施加使得所述阴极和阳极之一的磁化被改变。

28、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极由非铁磁金属或者半导体制成，而所述阳极由铁磁材料制成，通过改变照射的偏振，该器件能够在其工作位置与非工作位置之间切换。

29、根据权利要求28所述的器件，其中，所述照射组件能够在包括所述激励照射波长范围在内的波长范围而工作，所述照射组件被构造为产生各种偏振的光。

30、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极由非铁磁金属或者半导体制成，而所述阳极由铁磁材料制成，通过使阳极的磁化在上旋和下旋高透射率状态之间切换，该器件能够在其不同的工作模式之间切换。

31、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阴极位于相对于包括使得电子从阴极射出的激励照射波长范围在内的波长范围透明的基板上，由此使得能够通过所述透明基板来进行阴极的照射。

32、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阳极位于相对于包括使得电子从阴极射出的激励照射波长范围在内的波长范围透明的基板上，由此使得能够通过阳极承载基板的阳极外部的区域来进行阴极的照射。

33、根据权利要求1所述的器件，其中，所述阳极相对于包括使得电子从阴极射出的激励照射波长范围在内的波长范围透明，由此使得能够通过阳极来进行阴极的照射。

34、根据权利要求1所述的器件，其中，所述电极排布是集成结构，该集成结构包括：用于分别承载阴极和阳极的第一基板层和第二基板层；以及第一基板层与第二基板层之间的间隔体层结构，该间隔体层结构被构图以在阴极与阳极之间限定间隙。

35、根据权利要求34所述的器件，其中，所述第一基板承载有以隔开关系排布的阴极的阵列。

36、根据权利要求34或35所述的器件，其中，所述第二基板承载有以隔开关系排布的阳极的阵列。

37、根据权利要求34所述的器件，其中，所述间隔体层结构包括至少一个介电材料层。

38、根据权利要求37所述的器件，其中，所述间隔体层结构包括第一介电层和第二介电层，以及所述第一介电层与第二介电层之间的导电层，经构图的导电层限定了附加电极。

39、根据权利要求34所述的器件，其中，所述间隔体层结构被构图以限定隔开间隙的阵列，各隔开间隙在各个阴极与阳极之间。

40、根据权利要求4所述的器件，其中，所述阴极与阳极之间的间隙的长度不超过800nm。

41、根据权利要求4所述的器件，其中，所述阴极与阳极之间的间隙的长度为几十纳米。

42、根据权利要求4所述的器件，其中，所述阴极与阳极之间的间隙的长度在几十纳米到几百纳米的范围内。

43、一种将电子发射器件(10、100、200、300、400、50、600、700A、700B、700C)用作光电发射切换器件的方法，该方法包括以下步骤：在所述电子发射器件中设置光电发射阴极(12A)；通过特定激励辐射控制光电发射阴极(12A)的照射以对电子从阴极向阳极(12B)的发射进行控制，以及控制该电子发射器件的所述阴极和所述阳极之间的电场；以及通过以下中的至少一个来影响阳极的电流，从而实现该器件的光电切换功能：可控地修正阴极的照射、以及可控地修正所述阴极和所述阳极之间的电场。

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