JP4395918B2 - Field emission type electron emission device and field emission type display device - Google Patents
Field emission type electron emission device and field emission type display device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4395918B2 JP4395918B2 JP13228399A JP13228399A JP4395918B2 JP 4395918 B2 JP4395918 B2 JP 4395918B2 JP 13228399 A JP13228399 A JP 13228399A JP 13228399 A JP13228399 A JP 13228399A JP 4395918 B2 JP4395918 B2 JP 4395918B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electron
- current
- voltage
- drain
- emitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 41
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 20
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 16
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 66
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 28
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 21
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出によって電子の放出を行う電界放出型電子放出装置および電界放出によって放出された電子を利用して画像表示を行う電界放出型表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
針状の導体または半導体の先端部に高電圧が印加されると、常温においても電子がトンネル効果によりポテンシャル障壁を透過し、先端部から放出される。このような現象は、電界放出(Field Emission)または冷陰極放出(Cold-Cathode Emission)と呼ばれ、この現象によって電子を放出する素子(部材)は、エミッタまたは冷陰極等と呼ばれている。
【0003】
このような現象によって電子を放出する素子(部材)(以下、「エミッタ」または「電子放出素子」という。)は、その構造上、常温においても電子を効果的に放出することができるので高温に加熱する必要がなく、また印加電圧に対する電子放出効果が高いことから、比較的低電圧で微少な電界に対応して電子放出を行うことができるという特質を備えている。また、このような電子放出素子は、半導体プロセスに対するプロセス整合性も良好で、平面的に多数のものをアレイ状に形成することが可能であるという特質をも備えている。
【0004】
また、上述の電子放出素子の特質は、特に、フラットパネルディスプレイ装置に好適なものと考えられている。電子放出素子をフラットパネルディスプレイ装置として利用した装置は、電界放出型ディスプレイ(以下、単に「FED(Field Emission Display)」という。)と呼ばれている。FEDの一般的な構成は、電子の衝突によって発光する蛍光体が塗布されたアノード電極を、複数の電子放出素子に対して対向配置したものとなっている。このような構成のFEDでは、表示しようとする画像に応じて、複数の電子放出素子に選択的に電流が供給されると共に、電流が供給された電子放出素子から電子が放出される。電子放出素子から放出された電子は、蛍光体に衝突して発光し、この発光により、所望とする画像が表示される。
【0005】
このFEDによれば、電子放出素子から放出された電子が蛍光体に衝突することで、蛍光体が励起されて発光するので、液晶表示装置のような非発光型の表示装置とは異なり、自発光によって画像を表示できるという利点を備えており、次世代の表示装置として大いに期待されている。
【0006】
図10および図11は、それぞれ従来のFEDの一構成例を示す平面図および断面図である。なお、これらの図においては、エミッタの構造の種類として、その形状が円錐形状であるスピント(Spindt:人名)型と呼ばれる構造のものを一例として示している。但し、エミッタの構造の種類としては、スピント型の他にも、外形がカップ状の構造に形成され、周縁(稜線)部分に電界を集中させることで、周縁部分から電子を放出させるようにした構造のいわゆるカップ型と呼ばれるエミッタ等も提案されている。このカップ型のエミッタも電界放出によって電子を放出する点でスピント型と同様に電界放出型の素子であるが、これらの図では説明の簡潔化のために、エミッタの構造としてスピント型についてを代表して取り上げて説明する。
【0007】
このFEDは、マトリクス状に配置された複数のエミッタ1と、この複数のエミッタ1に対して対向配置されたアノード電極2とを備えている。アノード電極2の上面または下面(図11の例では上面)には、蛍光体が塗布されることにより蛍光体層4が形成されている。このFEDは、更に、互いに直交配置されたカソード電極3およびゲート電極(引き出し電極)5を備えている。カソード電極3および引き出し電極5は、それぞれ等間隔に配置された複数の電極を有し、絶縁層6(図11)を介して互いに対向するように直交配置されている。エミッタ1は、それぞれ引き出し電極5とカソード電極3とが交叉する位置に対応して横方向(図10のX方向)および縦方向(図10のY方向)にマトリクス状に配置されると共に、底面がカソード電極3に電気的に接続されている。引き出し電極5には、各エミッタ1に対応して孔7が設けられている。孔7の中心位置は、各エミッタ1の上部の頂点に対応するような位置関係となっている。引き出し電極5には、スキャンドライバ(走査駆動回路)8が接続されている。カソード電極3には、データドライバ(信号駆動回路)9が接続されている。
【0008】
なお、図示は省略したが、上記のような従来の一般的なFEDの各構成要素は、例えばガラス等からなる偏平状の管内に収納されて内部が真空に保たれるような構造に形成されている。
【0009】
エミッタ1は、例えば、0.01V/Å〜0.1V/Å程度の電界を選択的に与えることによって、トンネル効果により先端部から電子放出がなされるようになっている。なお、通常、FEDでは、所定数(例えば、1000個)のエミッタ1の集まりが1画素に対応している。蛍光体層4は、モノクロ画像表示用であれば、全体が白色発光蛍光体によって形成される。また、蛍光体層4は、カラー画像表示用であれば、赤(Red=R),緑(Green=G)および青(Blue=B)色発光用の蛍光体ストライプが各画素毎に配置される。
【0010】
アノード電極2には、例えば、3kVの直流電圧が固定的に印加されるようになっている。また、引き出し電極5には、例えば100Vの直流電圧がスキャンドライバ8から印加されるようになっている。この直流電圧は、例えば、上側の引き出し電極5から下側の引き出し電極5へ(図10のY方向)と循環的に順次印加される。一方、カソード電極3には、データドライバ9から、画像信号に応じた電圧(例えば、0V〜10V程度の電圧)が選択的に印加される。
【0011】
このような構成のFEDでは、例えば100Vの直流電圧が印加された引き出し電極5と、画像信号に応じて例えば0Vの電圧が選択的に印加されたカソード電極3との交点に位置するエミッタ1において、電界放出が起こり、電子がアノード電極2に向けて放出される。エミッタ1から放出された電子は、アノード電極2に塗布された蛍光体に衝突し、蛍光体を発光させる。この蛍光体の発光により、所望とする画像表示がなされる。なお、エミッタ1における1回の電子放出によって蛍光体が発光している時間は、例えば、数10μ秒程度である。
【0012】
電界放出型の電子放出素子は、特に、上述したような構造の表示装置に好適に利用可能なものとして考えられている。しかし、電子放出素子の利用分野は、表示装置にとどまるものではない。例えば、電子放出素子は、情報記録素子(メモリデバイス)としての利用も提案されている。
【0013】
この電子放出素子を利用した情報記録素子は、例えば、エミッタと、エミッタから放出される電子を保持する保持手段とを組み合せたものを多数配列することで多数のビットを形成した構成となっている。このような情報記録素子では、各ビットの保持手段に電子が保持されているか否かによって、各ビットにおける1/0またはHigh/Low の状態を保持することが可能であり、この保持した状態に基づいて情報を記録することができる。すなわち、この情報記録素子は、上述のFEDにおける蛍光体の代りに、エミッタから放出される電子を保持する保持手段を配設して、この保持手段に電子を保持させることで情報を記録するような記録素子である。このように電子放出素子は、情報記録素子に対しても好適に適用可能であるものと考えられている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のFEDは、エミッタが印加電圧に対する電子放出効果が高いために、発光効率が高いという物理的な特質を備えている。このため、FEDでは、輝度の高い自発光表示を行うことが期待される。また、FEDは、輝度の高さのみならず、輝度の安定性が高いことが要求される。ここで、輝度の安定性が高い状態とは、表示しようとする画像に必要とされるだけの充分な輝度が一定の状態に維持されることである。このようなFEDの輝度の安定性を確保するためには、エミッタから電子の放出が安定的に行われることが必要である。また、エミッタからの電子の放出を安定的に行うためには、エミッタに供給する電流が安定していることが必要となる。
【0015】
そこで、従来のFEDでは、エミッタに供給する電流を安定化するために、例えば、1MΩ程度の電気抵抗体をカソード電極に接続し、その抵抗体による電流制御を行い、カソード電極に流す電流そのものの安定化を図るような方法を採っている。しかしながら、この抵抗体を用いる方法では、1MΩ程度の高抵抗を介してエミッタ1に電流が供給されることになり、この抵抗による電圧低下や電力損失が避け難くなるので、エミッタ1に対して高い電圧を印加することが必要となると共に、必要とされる電流量が大きくなり、消費電力の増大を招くという問題がある。
【0016】
一方、従来のFEDにおいては、抵抗体を用いる方法の他に、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタの整流作用を利用してエミッタに供給する電流を安定化する方法も提案されている。この方法では、例えば、MOSトランジスタを、カソード電極と、カソード電極に信号電圧を印加するデータドライバとの間に接続するようになっている。また、MOSトランジスタのソースはデータドライバに接続すると共に、ドレインはカソード電極に接続し、ゲートは、常時オン状態とする。そして、MOSトランジスタのソース側にデータドライバからの信号入力を行うと共に、引き出し電極にスキャンドライバからの信号を入力することで、ドレイン側に接続されたカソード電極に電流が流され、エミッタから電子の放出がなされる。このとき、MOSトランジスタのドレイン側に流れる電流は、常時オン状態とされたゲートにおけるあらかじめ設定されたゲート電圧によって制御される。
【0017】
このようなMOSトランジスタを利用した方法では、抵抗体を用いる必要がないので、消費電力の増大は抵抗体を用いた場合に比べて小さいという利点がある。しかし、このMOSトランジスタの利用方法では、データドライバからエミッタに強電界を生じさせるための高電圧(例えば、50V)を印加させなければならず、データドライバの負担が大きくなってしまうという問題がある。また、このMOSトランジスタの利用方法では、エミッタに対する供給電流が完全には安定化されず、供給電流の低下が生じてしまうという問題がある。
【0018】
なお、高電圧を印加しない方法として、0.1μm経の小さな孔に対応させて、曲率半径が0.05μm以下の微小なテイラーコーンを持つスピント型のエミッタを、1画素に対応させて多数配列する方法がある。この方法では、エミッタが微小であるため、電子放出のために必要とされる電圧が比較的低電圧で済むという利点があるが、製造プロセスが難しくなるという問題や動作の安定性等が困難になるという問題がある。
【0019】
次に、図面を参照して、従来のFEDにおけるエミッタに対する供給電流の低下の問題についてより詳細に説明する。
【0020】
図12は、従来のFEDにおける電子放出部の構造を模式化して示した図である。この図に示したFEDは、エミッタに対する供給電流の低下の問題について考察するために実験用のサンプルとして用意したものである。このFEDは、櫛歯型のエミッタ1と引き出し電極(またはアノード電極)2とが間隙を有して対向配置されている。引き出し電極2には、走査駆動回路3の高電圧側出力端が接続されている。また、走査駆動回路3の他端は接地されている。走査駆動回路3は、図13(A)に示すような矩形波状の引き出し電圧Vex(= 0〜 250V)を引き出し電極2側に印加するためのものであり、可変電圧電源を用いている。
【0021】
このFEDは、エミッタ1の電位がフローティング状態にあり、引き出し電極2に引き出し電圧Vex= 250Vが印加された場合に、エミッタ1と引き出し電極2との間の電位差がいわゆる画素選択時の電子放出効果を生じさせる電位差となるように構成されている。また、このFEDは、引き出し電極2に引き出し電圧Vex= 0Vが印加された場合に、エミッタ1と引き出し電極2との間の電位差がいわゆる画素非選択時の電子放出しきい値未満の電位差となるように構成されている。なお、このFEDでは、エミッタ1の電位Vcを観察するために、エミッタ1に電圧計4が接続されている。
【0022】
このような従来のFED構造を模式化した実験用サンプルのFEDを、図13(A)に示したような0.1秒周期のパルス状の印加電圧波形で駆動したところ、エミッタ1の電位Vcは図13(B)に示すように大きく変動するという結果となった。すなわち、エミッタ1の電位Vcは、まず画素(エミッタ1)が選択状態となった瞬間(換言すれば引き出し電圧Vexが 250Vに立上がった瞬間)に急峻に約10Vにまで立ち上がるが、その後、急激に降下して約 1V程度の電位に落ち着くという結果となった。このようなエミッタ1の電位Vcの低下は、エミッタ1に供給される電流の低下を招き、電子の放出量を低下させる。
【0023】
図14は、図12に示したFEDに対して、上述した整流用のMOSトランジスタ利用したFEDの構造を模式化して示した図である。同図に示したFEDは、図12に示したFEDと同様に、エミッタ1に対する供給電流の低下の問題について考察するために実験用のサンプルとして用意したものである。このFEDでは、MOSトランジスタ5のソース側を画素選択時に接地電位にすると共に、ドレインをエミッタ1に接続し、ゲートを常時オン状態にしている。このFEDでは、MOSトランジスタ5のソース側に、例えば、図示しないデータドライバからの信号入力を行うと共に、引き出し電極に走査駆動回路3からの信号を入力することで、ドレイン側に接続されたエミッタ1に電流を供給し、エミッタ1から電子の放出を行うことが可能となる。また、このFEDでは、MOSトランジスタ5のドレイン側に流れる電流を、常時オン状態とされたゲートにおけるあらかじめ設定されたゲート電圧によって制御することが可能となる。なお、MOSトランジスタ5の基本特性については、図16に示した通りである。また、このFEDでは、エミッタ1が直接接地されて電位差250Vが印加されている場合の電流(つまり最大エミッション電流)を図16に示したように、20μAと仮定している。
【0024】
このMOSトランジスタ5を用いたFEDを、図15(A)に示したような0.1秒周期のパルス状の印加電圧波形で駆動したところ、エミッタ1の電位Vc(=ドレイン電圧Vd)は、図13に示した場合と同様に、図15(B)に示すように大きく変動するという結果となった。しかもこのとき、整流効果を得るためにMOSトランジスタ5を用いているにも関わらず、エミッタ1に流れるエミッタ電流(=ドレイン電流Id)は、エミッタ1の電位Vcの変化につれて急激且つ大幅に低下した。すなわち、このFEDでは、図15(C)に示すように、エミッタ電流が、最初は十分な電子放出が可能な 1μA程度の電流量だったものの、電位Vcの変化に対応して、時間t=20msの経過後には電子放出が実質的に不十分な電流量である 0.3μAにまでも低下するという結果となった。
【0025】
このようなエミッタ電流の低下について、図16に示したMOSトランジスタ5のドレイン電流−ドレイン電圧特性(Id−Vd特性)を参照して考察すると以下のようになる。同図(A)に示したように、最初(t= 0)の時点ではドレイン電圧Vd=10Vであるから、これに対応して飽和領域にある1μAと十分なドレイン電流Idがエミッタ1に流れる。一方、時間t=20msが経過した時点では、前述のようにドレイン電圧Vd=1 Vにまで電圧が低下するので、エミッタ1には、このドレイン電圧Vd=1 Vに対応して、同図(B)に示したように、MOSトランジスタ5のId−Vd特性に従った非飽和領域にあるドレイン電流Id= 0.3μA程度しか電流が流れないことになる。
【0026】
このように、本来、MOSトランジスタ5の利用により、その整流作用によってエミッタ1に供給する電流を安定化することが効果的であるものと考えられるにも関わらず、従来のFEDでは、結果的に、エミッタ1の電位Vcの急激な変動に起因して、エミッタ1に供給される電流の低下がおき、電子の放出量が低下するという問題がある。更に、この電子の放出量の低下は、画像表示における発光輝度の低下につながるという問題がある。
【0027】
このようなMOSトランジスタ5を用いても電流が安定化できないという問題を解決するためには、例えば、図17に示すように、非飽和領域における立ち上がり特性が極めて急峻で、低電圧で飽和するような(同図では0.1V)のId−Vd特性を持つMOSトランジスタを用いるという対策が有効であるように考えられる。すなわち、このようなMOSトランジスタを用いることができれば、エミッタ電圧Vc、つまりMOSトランジスタのドレイン電圧Vdが10Vから 0.1Vまで大幅に変動(低下)したとしても、電流量Idを常に電子の放出に最適な値(例えば、1μA)に保つことができるものと考えられる。
【0028】
しかし実際には、図17に示すような 0〜 0.1Vという低電圧の狭い領域で極めて急峻に立ち上がるId−Vd特性を有するMOSトランジスタを実現することは、現在のLSI技術を大きく逸脱するものであって、その実現は極めて困難か、あるいは不可能に近い。従って、図17に示すようなId−Vd特性を備えたMOSトランジスタを利用することで電流Idの安定化を図ることは実際的には不可能である。
【0029】
あるいは、最低でもエミッタ1の電位Vc= 1Vのときにドレイン電流Id= 1μA程度の電流を流すことができるId−Vd特性を備えたMOSトランジスタを用いれば、少なくとも時間t=20ms経過後においても必要とされる電流量を得ることができるものと考えられる。しかしこの場合にも、エミッタ1に流れる電流Idが電位Vdに依存して大幅に変動するので、電流Idの安定化を図ることはできない。
【0030】
また、MOSトランジスタとして、例えばId−Vd特性が−5Vのような逆電圧領域から立ち上がって、Vd= 0Vにおいては既に飽和領域に入っているといった特性を備えたMOSトランジスタを用いることも考えられる。しかし、このような逆電圧の印加を許容するMOSトランジスタを静電的な外乱や電気的な衝撃に対して脆く破壊されやすいデリケートなエミッタ1に直接に接続することは、このエミッタ1を備えた装置を実際に使用する際に、エミッタ1の静電破壊等を引き起こす原因となるので好ましくない。
【0031】
以上で説明したようなエミッタに対する供給電流の低下は、FEDにおいては、画像表示における発光輝度の低下につながる。また、このようなエミッタに対する供給電流の低下は、例えば、上述の電子放出素子を利用した情報記録素子においても問題となる。すなわち、情報記録素子においては、FEDの場合と同様に、エミッタの電圧変動に起因したエミッタ電流の大幅な変動が生じることで、情報の記録動作不良が発生するという問題がある。
【0032】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、電子放出素子に対して、電子の放出に必要とされる電流を安定して供給することができる電界放出型電子放出装置を提供することにある。
【0033】
また、本発明の第2の目的は、画像表示に必要とされる発光輝度を十分且つ安定的に得ることができる電界放出型表示装置を提供することにある。
【0034】
【課題を解決するための手段】
本発明による電界放出型電子放出装置は、固定電圧が印加される固定電圧印加電極と、固定電圧印加電極との間の電位差によって生じる電界に対応して、供給された電流量に応じた電子の放出を行う複数の電子放出素子と、ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子とを備えたものである。
【0035】
また、本発明による電界放出型表示装置は、固定電圧が印加される固定電圧印加電極と、固定電圧印加電極との間の電位差によって生じる電界に対応して、供給された電流量に応じた電子の放出を行う複数の電子放出素子と、ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に電子放出素子に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、複数の電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子と、電子放出素子から放出された電子の衝突に応じて発光する発光手段とを備えたものである。
【0036】
本発明による電界放出型電子放出装置では、固定電圧印加電極によって、複数の電子放出素子に対して固定電圧が印加され、ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、複数の電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子によって、複数の電子放出素子に対して、必要に応じて電子を放出させるための電流が供給される。
【0037】
また、本発明による電界放出型表示装置では、固定電圧印加電極によって、複数の電子放出素子に対して固定電圧が印加され、ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子によって、複数の電子放出素子に対して、必要に応じて電子を放出させるための電流が供給され、電流が供給された電子放出素子から発光手段に向けて電子が放出される。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0039】
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置の主要部の構成を模式的に示す構成図である。また、図2は、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置の主要部の構成を模式的に示す他の構成図である。なお、これらの図においては、エミッタの構造の種類として、外形がカップ状の構造に形成され、周縁(稜線)部分に電界を集中させることで、周縁部分から電子を放出させるようにした構造のいわゆるカップ型と呼ばれる構造のものを一例として示している。但し、エミッタの構造の種類としては、カップ型の他にも、その形状が円錐形状であるスピント型と呼ばれる構造のエミッタ等も提案されている。本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置に対して、このスピント型等のエミッタを利用することも可能である。しかし、以下では、説明の簡潔化のために、エミッタの構造としてカップ型についてを代表して取り上げて説明する。
【0040】
この電界放出型電子放出装置は、その表面に、カップ型のエミッタ101が多数配列形成されたカソード電極100と、このカソード電極100に対して対向配置された引き出し電極103とを備えている。引き出し電極103は、エミッタ101に対して所定の間隙を有して対向配置されている。エミッタ101は、所定数の集まりが1構成単位となっており、各構成単位毎に電子の放出がなされる。図2において、符号102で示した部分が、エミッタ101の1構成単位に相当する。この電界放出型電子放出装置は、全体的には、エミッタ101の各構成単位が、マトリックス状に多数配設された構成となっている。なお、ここでいう1構成単位とは、例えば、この電界放出型電子放出装置をFEDに適用した場合には、1画素に対応する構成単位である。また、ここでいう所定数とは、例えば、この電界放出型電子放出装置をFEDに適用した場合には、1画素に対応するエミッタ101の数であり、例えば、1000個である。なお、図2においては図示の簡潔化を図るために、引き出し電極103の図示は省略してある。
【0041】
ここで、エミッタ101が、本発明における「電子放出素子」の一具体例に対応する。また、引き出し電極103が、本発明における「固定電圧印加電極」の一具体例に対応する。
【0042】
この電界放出型電子放出装置は、更に、エミッタ101の各構成単位毎にカソード電極100に対して電気的に接続された複数のNMOS型トランジスタ200と、NMOS型トランジスタ200のゲート202に接続されたゲート駆動回路300と、引き出し電極103に接続された固定電圧電源400とを備えている。NMOS型トランジスタ200のソース204は、接地されている。また、NMOS型トランジスタ200のドレイン201は、カソード電極100に接続されている。なお、NMOS型トランジスタ200を、エミッタ101の各構成単位毎ではなく、各エミッタ101毎に配置するようにしてもよい。
【0043】
ここで、NMOS型トランジスタ200が、本発明における「半導体素子」の一具体例に対応する。
【0044】
エミッタ101は、例えば、カーボン等の材料から構成され、引き出し電極103との間の電位差によって生じる電界に対応して、トンネル効果により、供給された電流量に応じた電子の放出が行われるようになっている。エミッタ101は、例えば、1μAの電流が流れたときに充分な電子の放出が行われる。ここで、本実施の形態においては、常に引き出し電極103から、全てのエミッタ101に対して電子放出が可能となるような強電界を与えるようになっている。引き出し電極103には、エミッタ101に対してこの強電界を与えるために、固定電圧電源400から、あらかじめ引き出し電圧Vexとして、例えば、250Vの固定電圧が供給される。
【0045】
ゲート駆動回路300は、NMOS型トランジスタ200のゲート202に印加するゲート電圧Vgの制御を行うようになっている。ゲート駆動回路300は、エミッタ101に対して電子の放出を行わせる場合には、NMOS型トランジスタ200のゲート202にゲート電圧Vgとして、例えば、5Vの電圧を印加するようになっている。また、ゲート駆動回路300は、エミッタ101に対して電子の放出を行わせない場合には、NMOS型トランジスタ200のゲート202にゲート電圧Vgとして、例えば、0Vの電圧を印加するようになっている。
【0046】
図3は、NMOS型トランジスタ200のドレイン電流−ドレイン電圧特性(Id−Vd特性)を示す説明図である。なお、同図に示した例では、エミッタ101が直接接地されて電位差250Vが印加されている場合の電流(つまり最大エミッション電流)を、20μAと仮定している。また、同図において、符号G0で示した曲線が、NMOS型トランジスタ200のId−Vd特性を示す曲線である。
【0047】
NMOS型トランジスタ200は、ゲート202に印加するゲート電圧Vgを変化させることにより、エミッタ101に対する電流の供給量の制御を行うことが可能となっている。同図の例では、NMOS型トランジスタ200の動作電圧は、5Vである。また、NMOS型トランジスタ200は、同図の例では、ドレイン電圧Vdが0〜4Vの領域がId−Vd特性によって規定される非飽和領域であり、4Vを超える領域が飽和領域となっている。NMOS型トランジスタ200の飽和領域におけるドレイン電流Idは、10μAである。
【0048】
NMOS型トランジスタ200は、同図(A)に示したように、ゲート202にゲート駆動回路300から例えば、ゲート電圧Vgとして0Vの信号が入力されたときに、オフ状態となり、ソース側からドレイン側に流れるドレイン電流Idがゼロとなる。また、NMOS型トランジスタ200は、同図(B)に示したように、ゲート202にゲート駆動回路300から例えば、ゲート電圧Vgとして5Vの信号が入力されたときに、オン状態となり、ソース側からドレイン側に一定の値のドレイン電流Idが流れるようになっている。ここで、本実施の形態においては、エミッタ101は、1μAの電流が流れたときに充分な電子の放出が行われるようになっているが、NMOS型トランジスタ200において、1μAのドレイン電流Idが得られる領域は、非飽和領域内に存在している。すなわち、本実施の形態では、NMOS型トランジスタ200のId−Vd特性によって規定される非飽和領域内で、ドレイン電圧Vdおよびドレイン電流Idがゲート202に印加されるゲート電圧Vgに基づいて制御されるようになっている。なお、図3は、後述の図4に示したタイミングチャートに対応させた図となっており、時間t=−1秒に、ゲート電圧Vgとして0Vの信号を入力し(同図(A))、時間t=0秒に、ゲート電圧Vgとして5Vの信号を入力(同図(B))した例を示している。
【0049】
次に、上記のような構成の電界放出型電子放出装置の動作について説明する。
【0050】
図4は、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置を駆動するための各種の駆動波形を示すタイミングチャートである。なお、同図では、動作の一例として、ゲート駆動回路300から、NMOS型トランジスタ200のゲート202に対して0.1秒周期で波高5Vのパルス状の印加電圧波形を印加する場合についてを示している。この電界放出型電子放出装置では、同図のタイミングチャートに示すように、引き出し電極103に、エミッタ101に対して電子の放出を可能にし得るような強電界を与えるために、常に250Vの固定電圧が引き出し電圧Vexとして印加される(図4(A))。このとき、エミッタ101側の電位Vcは、引き出し電極103側の電位が固定電圧であることに対応して、常に0.1Vになる(図4(B))。
【0051】
ここで、ゲート駆動回路300から、NMOS型トランジスタ200のゲート202に対して印加されたゲート電圧Vgの状態が、ローレベル(0V)のときには、NMOS型トランジスタ200のゲート202がオフ状態となり(図4(C)のOFF)、ドレイン電流Idはゼロとなる(図4(D)、図3(A))。従って、このときには、NMOS型トランジスタ200のドレイン201に接続されたエミッタ101に流れる電流はゼロであり、エミッタ101から電子放出はなされない。
【0052】
一方、ゲート駆動回路300から、NMOS型トランジスタ200のゲート202に対して印加されたゲート電圧Vgの状態が、ハイレベル(5V)のときには、NMOS型トランジスタ200のゲート202がオン状態となる(図4(C)のON)。このとき、ドレイン電圧Vdは、Vd=Vc= 0.1Vの値に保たれている状態のままで、この 0.1Vのドレイン電圧Vdに対応して、NMOS型トランジスタ200のId−Vd特性に従ったドレイン電流Idとして1μAが流れる(図4(D)および図3(B))。従って、このときには、NMOS型トランジスタ200のドレイン201に接続されたエミッタ101に流れる電流は1μAであり、エミッタ101から電子放出がなされる。ここで、本実施の形態では、同図に示したように、エミッタ101側の電位Vc(=ドレイン電圧Vd)が、引き出し電極103側の電位が固定電圧であることに対応して、常に0.1Vとなっているため、電子放出がなされている間は、電子放出に必要とされる1μAのドレイン電流Idが安定的に供給され、エミッタ101からの電子放出が安定的になされることになる。
【0053】
なお、本実施の形態の電界放出型電子放出装置においては、エミッタ101に流れる電流が1 μAであれば、エミッタ101から良好に電子の放出を行うことができるが、エミッタ101に対して1μAとは異なる電流を流すことも可能である。例えば、引き出し電極103に印加する引き出し電圧Vexを上記した250Vの固定電圧とは異なる電圧値に調節してエミッタ101の電位Vc、すなわちドレイン電圧Vdを調節することで、そのドレイン電圧Vdに対応したドレイン電流Id、すなわちエミッタ101に流す所望の電流を得ることができる。
【0054】
例えば、引き出し電圧Vexを250Vよりも高い電圧にして電圧Vc=Vdを、0.1<V1<4 である電圧値V1とすることで、この電圧値Vd=V1に対応して、図3(B)に示すようなId−Vd特性に従った非飽和領域内のドレイン電流Id=I1μA(1<I1<10)を得ることができる。なお、エミッタ101に流す電流を、逆に、1 μAよりも低い電流量に制御することが可能であることは言うまでもない。
【0055】
[比較例]
次に、図18〜図20を参照して本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置に対する比較例について説明する。
【0056】
図18は、比較例としての電界放出型電子放出装置における電子放出部の構造を模式化して示した図である。この図に示した比較例の装置は、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置に対する動作特性の比較を行うために、実験用のサンプルとして用意したものである。この比較例の装置は、その表面に、カップ型のエミッタ1が多数配列形成されたカソード電極3と、このカソード電極3に対して対向配置された引き出し電極2とを備えている。引き出し電極2は、エミッタ1に対して所定の間隙を有して対向配置されている。
【0057】
この比較例の装置は、更に、カソード電極3に対して電気的に接続されたNMOS型トランジスタ5と、NMOS型トランジスタ5のゲートに接続された図示しない信号駆動回路と、引き出し電極2に接続された図示しない走査駆動回路とを備えている。NMOS型トランジスタ5のソースは、接地されている。また、NMOS型トランジスタ5のドレインは、ドレイン電流Idを計測するための電流計20を介してカソード電極3に接続されている。カソード電極3には、カソード電極3の電圧、すなわちエミッタ1の電圧Vcを計測するための電圧計4が接続されている。引き出し電極2に接続された図示しない走査駆動回路からは、図19(A)に示すような矩形波状の引き出し電圧Vex(= 0〜 250V)が引き出し電極2側に印加されるようになっている。
【0058】
この比較例の装置においては、NMOS型トランジスタ5のゲートを、常時オン状態にしている。また、この比較例の装置は、エミッタ1の電位がフローティング状態にあり、引き出し電極2に引き出し電圧Vexとして250Vの電圧が印加された場合に、エミッタ1と引き出し電極2との間の電位差がエミッタ1から電子放出効果を生じさせる電位差となるように構成されている。また、この比較例の装置は、引き出し電極2に引き出し電圧Vexとして 0Vの電圧が印加された場合に、エミッタ1と引き出し電極2との間の電位差が電子放出しきい値未満の電位差となるように構成されている。
【0059】
このように、この比較例の装置においては、引き出し電極2に250Vという高電圧を印加するか否かを切り替えることにより、エミッタ1から電子放出を行わせるか否かを切り替えるようにしている。これに対し、図1に示した本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置においては、引き出し電極103に、常時250Vの高電圧を印加しておき、エミッタ101から電子放出を行わせるか否かの選択は、NMOS型トランジスタ200のゲートのオンオフ状態を切り替えることにより行っている。
【0060】
次に、このような構成の比較例の装置の動作特性について説明する。
【0061】
図19は、この比較例の装置を駆動するための各種の駆動波形を示すタイミングチャートである。この比較例の装置を、引き出し電極2に図19(A)に示したような、0.1秒周期のパルス状の引き出し電圧Vexで駆動したところ、エミッタ1の電位Vc(=ドレイン電圧Vd)は、図19(B)に示すように大きく変動するという結果となった。しかもこのとき、エミッタ1に流れるエミッタ電流(=ドレイン電流Id)は、エミッタ1の電位Vcの変化につれて急激且つ大幅に低下した。すなわち、この比較例の装置では、図19(C)に示すように、エミッタ電流が、最初は十分な電子放出が可能な 1μA程度の電流量だったものの、電位Vcの変化に対応して、時間t=20msの経過後には電子放出が実質的に不十分な電流量である 0.1μAにまでも低下するという結果となった。
【0062】
次に、このようなエミッタ電流の低下について、図20に示したMOSトランジスタ5のドレイン電流−ドレイン電圧特性(Id−Vd特性)を参照して考察する。なお、同図に示した例では、エミッタ1が直接接地されて電位差250Vが印加されている場合の電流(つまり最大エミッション電流)を、20μAと仮定している。また、NMOS型トランジスタ5は、同図の例では、ドレイン電圧Vdが0〜1Vの領域がId−Vd特性によって規定される非飽和領域であり、1Vを超える領域が飽和領域となっている。NMOS型トランジスタ5の飽和領域におけるドレイン電流Idは、1μAである。
【0063】
この比較例の装置では、同図(A)に示したように、最初(t= 0)の時点ではドレイン電圧Vdが1Vであるから、これに対応して飽和領域にある1μAの十分なドレイン電流Idがエミッタ1に流れる。一方、時間t=20msが経過した時点では、ドレイン電圧Vdが0.1Vにまで電圧が低下するので、エミッタ1には、この0.1Vのドレイン電圧Vdに対応して、同図(B)に示したように、MOSトランジスタ5のId−Vd特性に従った非飽和領域にある0.1μA程度のドレイン電流Idしか電流が流れないことになる。
【0064】
このように、この比較例の装置では、エミッタ1に流れる電流が急激に低下してしまい、電界放出型電子放出装置としての正確な(確実な)動作が可能な電流量(ここでは本実施の形態におけるエミッタ101と同様に1μA)を得ることができないことが確認された。
【0065】
以上説明したように、本実施の形態によれば、引き出し電極103に印加する引き出し電圧Vexを時間的に変化しない固定電圧にすると共に、エミッタ101から電子放出を行わせるか否かの選択を、NMOS型トランジスタ200のゲート202のオンオフ状態を切り替えることにより、エミッタ101に対する電流の供給量の制御を行って切り替えるようにしたので、図18に示した比較例のように、エミッタ1から電子放出を行わせるか否かの選択を、引き出し電極2に高電圧を印加するか否かを切り替えることにより行う場合に比べて、電子放出を行わせるための駆動電圧の低減を図ることができる。また、エミッタ101から電子放出を行わせるか否かの選択を、NMOS型トランジスタ200のゲート202のオンオフ状態を切り替えることにより行うので、図18に示した比較例のように、電子の放出動作に応じてエミッタ101の電位Vcが大きく変動することがなく、ほぼ一定の状態に保つことが可能となり、NMOS型トランジスタ200の整流作用を利用してエミッタ101に対して、電子の放出に必要とされる電流を安定して供給することができる。このように、本実施の形態によれば、エミッタ101に供給する電流量を安定に保つことができるので、エミッタ101の電子放出量を時間的に安定化させることができる。従って、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置を、例えば、FEDに適用した場合には、画像表示に必要とされる発光輝度を十分且つ安定的に得ることができる。
【0066】
また、本実施の形態によれば、NMOS型トランジスタ200として、エミッタ101から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値(例えば、1μA)が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような特性のものを用いるようにしたので、図17で示したような非飽和領域における立ち上がり特性が極めて急峻で、低電圧で飽和するようなId−Vd特性を持つような実際上は実現不可能な特性の半導体素子を用いることなく、既存の一般的な電気的特性を持つ半導体素子を好適に用いてエミッタ101に供給する電流量を安定に保つことができる。
【0067】
更に、本実施の形態によれば、NMOS型トランジスタ200をその非飽和領域で用いているので、従来の技術では電流量を不安定化させる要因となっていた非飽和領域のId−Vd特性を積極的に利用して、エミッタ101に供給するドレイン電流Idの電流量を所望の電流量に調節することが可能となる。例えば、引き出し電極103に印加する引き出し電圧Vexを、上記した250Vの固定電圧とは異なる電圧値に調節してエミッタ101の電位Vc(=ドレイン電圧Vd)を調節することで、ドレイン電圧Vdに対応したドレイン電流Id、すなわちエミッタ101に流す電流を変化させることができる。
【0068】
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第1の実施の形態における構成要素と同一の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0069】
上記第1の実施の形態では、図3を参照して説明したように、引き出し電極103に250Vの引き出し電圧Vexが印加されていると共に、エミッタ101が直接接地されている状態の電流(最大エミッション電流)を20μAとし、飽和領域におけるドレイン電流Idが、この最大エミッション電流(=20μA)よりも低い10μAであるような特性のNMOS型トランジスタ200を使用するようにしたが、本実施の形態では、このような特性のNMOS型トランジスタ200の代わりに、飽和領域におけるドレイン電流Idが、最大エミッション電流よりも大きな値の特性のトランジスタを使用している。
【0070】
図5は、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。なお、同図において、符号G0′で示した曲線が、本実施の形態におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す曲線である。同図に示した本実施の形態におけるNMOS型トランジスタは、飽和領域におけるドレイン電流Idが、最大エミッション電流(図の例では20μA)よりも高い100μAとなっている。なお、本実施の形態においては、飽和領域におけるドレイン電流Idの値は、エミッタ101の最大エミッション電流を超える値であればよく、100μAの値に限定されるものではない。このNMOS型トランジスタは、図3の特性のNMOS型トランジスタ200と同様に、ゲートに印加するゲート電圧Vgを変化させることにより、エミッタ101に対する電流の供給量の制御を行うことが可能となっている。同図の例では、NMOS型トランジスタの動作電圧は、5Vである。また、このNMOS型トランジスタは、同図の例では、ドレイン電圧Vdが0〜4Vの領域がId−Vd特性によって規定される非飽和領域であり、4Vを超える領域が飽和領域となっている。
【0071】
図5に示した特性のNMOS型トランジスタは、図3に示した特性のNMOS型トランジスタ200と同様に、ゲートにゲート駆動回路300から例えば、ゲート電圧Vgとして0Vの信号が入力されたときに、オフ状態となり、ソース側からドレイン側に流れるドレイン電流Idがゼロとなる(同図(A))。また、このNMOS型トランジスタは、同図(B)に示したように、ゲートにゲート駆動回路300から例えば、ゲート電圧Vgとして5Vの信号が入力されたときに、オン状態となり、ソース側からドレイン側に一定の値のドレイン電流Idが流れるようになっている。なお、図5は、図4に示したタイミングチャートに対応させた図となっており、時間t=−1秒に、ゲート電圧Vgとして0Vの信号を入力し(同図(A))、時間t=0秒に、ゲート電圧Vgとして5Vの信号を入力(同図(B))した例を示している。
【0072】
このような特性のNMOS型トランジスタを使用することにより、エミッタ101の最大エミッション電流が、飽和領域におけるドレイン電流Idよりも小さい値となるので、ドレイン電圧Vdがどのように変化しても、エミッタ101に流れるドレイン電流Idは、常に非飽和領域にあることになる。つまり、本実施の形態においては、ドレイン電圧Vdを変化させても、NMOS型トランジスタによるドレイン電流Idの制御は、常に非飽和領域で行われることになる。
【0073】
なお、本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、上記第1の実施の形態と同様である。
【0074】
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第1および第2の実施の形態における構成要素と同一の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0075】
上記第1の実施の形態および第2の実施の形態では、図3および図5に示したように、最大動作電圧が5Vの特性のNMOS型トランジスタを、その最大動作電圧と同じ電圧で駆動するようにしたが、本実施の形態では、図3および図5に示したNMOS型トランジスタよりも高い最大動作電圧を持つNMOS型トランジスタを、その最大動作電圧よりも低い電圧で駆動するようにしたものである。
【0076】
図6は、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。なお、同図に示した例では、エミッタ101が直接接地されて電位差250Vが印加されている場合の電流(最大エミッション電流)を、20μAと仮定している。同図に示した本実施の形態におけるNMOS型トランジスタは、最大動作電圧が50Vとなっている。このNMOS型トランジスタを最大動作電圧である50Vのゲート電圧Vgで動作させたときの飽和領域におけるドレイン電流Idの値は、1mAとなっている。このようなNMOS型トランジスタを、最大動作電圧よりも低い動作電圧で駆動することによっても、図3および図5で示した特性のNMOS型トランジスタと同様に、例えば、ドレイン電圧Vdが 0.1Vであるときに、エミッタ101に対して電子放出を行わせるのに充分な1μAのドレイン電流Idを供給することができる。なお、図6の例では、ゲート電圧Vgを5Vとしたときに、0.1Vのドレイン電圧Vdに対応して、1μAのドレイン電流Idが流れるような特性となっている。
【0077】
また、本実施の形態におけるNMOS型トランジスタでは、ゲート電圧Vgを0<Vg≦50Vの範囲内で変化させることで、ゲート電圧Vgの変化に対応して、Id−Vd特性曲線に基づいた種々の電流値のドレイン電流Idを得ることも可能となる。例えば、50Vのゲート電圧Vgを印加した場合に、ドレイン電圧Vdが 0.1Vで、I2μAのドレイン電流Idが得られるとすれば、ゲート電圧Vgを0<Vg≦50Vの範囲内で変化させることで、それに対応して、1<Id≦I2の範囲のドレイン電流Idを得ることができる。このように、ゲート電圧Vgを変化させることで、種々のドレイン電流Idを得ることができ、この電流に対応して、エミッタ101から放出される電子の放出量を制御することが可能となる。
【0078】
このように本実施の形態によれば、高い動作電圧を持つNMOS型トランジスタを、最大動作電圧またはそれよりも低い電圧で駆動するようにしたので、ゲート電圧Vgを変化させ、それに対応してドレイン電流Idを変化させて、エミッタ101からの電子放出量を変化させることができる。その結果、例えば、本実施の形態に係る電界放出型電子放出装置を、FEDに用いる場合などには、その電子放出量の変化に対応して発光量つまり画素の発光輝度を変化(制御)させることも可能となる。従って、このような作用を好適に利用して階調の制御を行うことも可能となる。
【0079】
なお、本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、上記第1および第2の実施の形態と同様である。
【0080】
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第1の実施の形態における構成要素と同一の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0081】
図7は、本発明の第4の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置としてのFEDの主要部の構成を示す構成図である。また、図8は、本実施の形態に係るFEDの主要部の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るFEDは、上記各実施の形態で説明したような電界放出型電子放出装置を表示装置として利用したものである。このFEDは、マトリックス(行列)アレイ状に配列された複数の画素の集まりによって、1枚の画面が構成されるようになっている。また、このFEDは、複数の画素に対応して、複数のエミッタ101の集まりがマトリックス状に配列されている。図7においては、符号700で示した部分にある複数のエミッタ101が、1画素分のエミッタ101に相当する。なお、図示しないが、このFEDの各構成要素は、例えば、ガラス等からなる偏平状の管内に収納され、内部が真空に保たれるようになっている。
【0082】
このFEDは、表面にエミッタ101が多数配列されたカソード電極100と、このカソード電極100に対して対向配置された引き出し電極103(図8)と、1画素毎にカソード電極100に対して電気的に接続された複数のNMOS型トランジスタ200とを備えている。エミッタ101、カソード電極100、引き出し電極103およびNMOS型トランジスタ200の構成は、図1に示したものと同様である。なお、各NMOS型トランジスタ200のソース204は、各列毎に同一の信号配線701によってまとめられて接続されている。また、NMOS型トランジスタ200のゲート202は、各行毎に同一の走査配線709によってまとめられて接続されている。
【0083】
このFEDは、更に、図8に示したように、カソード電極100に対して対向配置されたアノード電極104を備えている。アノード電極104の上面または下面(図8の例では上面)には、蛍光体が塗布されることにより蛍光体層800が形成されている。蛍光体層800は、モノクロ画像表示用であれば、全体が白色発光蛍光体によって形成される。また、蛍光体層800は、カラー画像表示用であれば、R,GおよびB色発光用の蛍光体ストライプが各画素毎に配置される。アノード電極104には、引き出し電極103と共に、エミッタ101に対して電界放出を行わせるような強電界を発生させるための固定電圧が常時印加されるようになっている。
【0084】
ここで、蛍光体層800が、本発明における「発光手段」の一具体例に対応する。また、本実施の形態においては、アノード電極104および引き出し電極103が、本発明における「固定電圧印加電極」の一具体例に対応する。
【0085】
このFEDは、更に、信号配線701によってドレイン703が各列毎のNMOS型トランジスタ200のソース204に接続された複数のNMOS型トランジスタ702と、正極側(正電位側)が接地されると共に、負極側(負電位側)出力端がNMOS型トランジスタ702のソース704に接続された定電圧電源705と、NMOS型トランジスタ702のゲート706に接続された信号駆動回路707と、走査配線709によって各行毎の各NMOS型トランジスタ200のゲート202が接続された走査駆動回路708とを備えている。なお、NMOS型トランジスタ702は、各列毎に配置されている。
【0086】
ここで、NMOS型トランジスタ702および信号駆動回路707が、本発明における「電流制御手段」の一具体例に対応する。また、NMOS型トランジスタ702が、本発明における「電流制御用の半導体素子」の一具体例に対応する。
【0087】
NMOS型トランジスタ702は、複数のNMOS型トランジスタ200の電気的特性の違いを吸収して、NMOS型トランジスタ200のドレイン201に流れる電流の値を所定の値に制御するために電流制御用として設けられたものである。なお、このNMOS型トランジスタ702によるNMOS型トランジスタ200に対する電流制御作用については、後に図面を参照して詳述する。
【0088】
信号駆動回路707は、NMOS型トランジスタ702のゲート706に対して必要に応じて信号電圧を印加し、NMOS型トランジスタ702のソース704とドレイン703との間の導通を制御するようになっている。走査駆動回路708は、1走査選択期間を1周期として、その1周期毎に1つの走査パルスをゲート電圧Vgとして各行毎にNMOS型トランジスタ200に印加するようになっている。本実施の形態においては、走査駆動回路708からNMOS型トランジスタ200のゲート202をオン状態にする信号が印加されると共に、信号駆動回路707からNMOS型トランジスタ702のゲート706をオン状態にする信号が印加されたときに、エミッタ101にNMOS型トランジスタ200およびNMOS型トランジスタ702の特性に応じた電流が供給され、この電流に対応した電子放出がなされるようになっている。
【0089】
次に、上記のような構成のFEDの動作について説明する。
【0090】
このFEDでは、アノード電極104および引き出し電極103に常時固定電圧がされることにより、エミッタ101の表面に、あらかじめ電子の放出を可能にし得る強電界が固定的に与えられる。アノード電極104および引き出電極103に印加される固定電圧は、より詳しくは、NMOS型トランジスタ200およびNMOS型トランジスタ702が双方ともオン状態になったときに、エミッタ101における電位がエミッタ101から電子を放出可能となるような電圧である。
【0091】
信号駆動回路707は、NMOS型トランジスタ702のゲート706に対して信号電圧を印加し、NMOS型トランジスタ702のソース704とドレイン703との間の導通を制御する。一方、走査駆動回路708は、1走査選択期間を1周期(例えば、0.1秒)として、その1周期毎に1つの走査パルスをゲート電圧Vgとして各行毎にNMOS型トランジスタ200のゲート202に印加する。走査駆動回路708から、NMOS型トランジスタ200のゲート202にハイレベルの電圧(例えば、5V)が印加されている間は、NMOS型トランジスタ200がオン状態になり、NMOS型トランジスタ200のソース204とドレイン201との間が導通状態となる。
【0092】
NMOS型トランジスタ200およびNMOS型トランジスタ702がオン状態になると、NMOS型トランジスタ702のソースに接続された定電圧電源705から印加される電圧に対応した電流が、NMOS型トランジスタ702およびNMOS型トランジスタ200を介してエミッタ101に流れる。このとき、エミッタ101にはアノード電極104および引き出し電極103から、あらかじめ電子放出を可能にし得る強電界が与えられているため、エミッタ101に流れる電流に対応して、エミッタ101の表面で電界放出が起こり、電子がアノード電極104に向けて放出される。エミッタ101から放出された電子は、アノード電極104に塗布された蛍光体層800(図8)の蛍光体に衝突し、蛍光体を発光させる。この蛍光体の発光により、所望とする画像表示がなされる。
【0093】
ここで、本実施の形態に係るFEDでは、上記第1〜第3の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置を利用した構成となっているので、エミッタ101に供給する電流量が安定化されると共に、エミッタ101の電子放出量が時間的に安定化される。従って、本実施の形態に係るFEDでは、画像表示に必要とされる発光輝度が十分且つ安定的に得られる。
【0094】
次に、電流制御用のNMOS型トランジスタ702による電流制御作用についてより詳しく説明する。
【0095】
図9は、NMOS型トランジスタ702による電流制御の作用について説明するための図である。なお、同図(A),(B)は、NMOS型トランジスタ200のId−Vd特性を示しており、特に、図9(B)は、NMOS型トランジスタ200の理想とされるId−Vd特性を示している。
【0096】
例えば、複数のNMOS型トランジスタ200の各々で、Id−Vd特性にばらつきがある場合には、同一条件で各NMOS型トランジスタ200を駆動したとしても、ドレイン電流Idにばらつきが生じ、各エミッタ101に供給される電流にばらつきが生ずる。各エミッタ101に供給される電流のばらつきは、結果的に輝度のばらつきとなって現れることになり好ましくない。図9(A)に示した曲線G1,G2は、それぞれId−Vd特性にばらつきのある2つのNMO
S型トランジスタ200の特性例を示している。同図の例では、ドレイン電圧Vdが0.1Vのときのドレイン電流Idが、曲線G1 と曲線G2 において、それぞれ 1μmと 2μmと、2倍の比率で異なっている。
【0097】
本実施の形態では、このようなNMOS型トランジスタ200の電気的特性のばらつきに起因したドレイン電流Idのばらつきを、NMOS型トランジスタ702を用いることによって吸収し、各画素毎の電子放出量にばらつきが生じないようにしている。
【0098】
図9(C)は、NMOS型トランジスタ702のId−Vd特性の一例を示している。NMOS型トランジスタ702は、同図に示したように、例えば、ゲート電圧Vgが5Vで、ドレイン電圧Idが0Vのときに、ドレイン電流Idが1μAとなって飽和するような特性を有している。このように、NMOS型トランジスタ702としては、例えば、制御対象となるNMOS型トランジスタ200に必要とされる電流値(例えば、1μA)が、その飽和領域にあるような特性のものを使用する。そして、NMOS型トランジスタ702をId−Vd特性によって規定される飽和領域内で動作させる(つまりそのId−Vd特性の飽和領域内でソース/ドレイン間の導通を制御させる)ようにする。このようにすることで、仮にNMOS型トランジスタ200の電気的特性に図9(A)のようなばらつきがあったとしても、NMOS型トランジスタ200のソース204に流される電流量は、常にNMOS型トランジスタ702の飽和領域内で一定電流に制御されているので、NMOS型トランジスタ200のドレイン電流Idは常に一定電流となる。
【0099】
ここで、図9(C)に示したようなId−Vd特性を得るためには、例えば、あらかじめNMOS型トランジスタ702の基板に正のバイアス電圧を印加しておくことなどの手法を用いることができる。なお、NMOS型トランジスタ702の基板に、このようなバイアス電圧、すなわち、正のドレイン電圧Vdを基準として、逆バイアスと見做せるような電圧が印加されたとしても、NMOS型トランジスタ702はエミッタ101に直接には接続されておらず、もう一方のNMOS型トランジスタ200がエミッタ101に直接接続されているので、エミッタ101に対して逆電圧が印加されるといった不都合が生じることはない。
【0100】
なお、例えば、NMOS型トランジスタ702に印加するゲート電圧Vgを信号駆動回路707において、外部から入力される表示データや画像表示における階調表示に対応させて変化させることで、NMOS型トランジスタ200のソース204側に流れる電流を制御し、間接的にエミッタ101における電子放出量を変化させることも可能である。
【0101】
以上説明したように、本実施の形態によれば、上記第1〜第3の実施の形態で説明したような効果を有する電界放出型電子放出装置を利用しているので、エミッタ101に対して電子の放出に必要とされる電流を安定して供給することができ、エミッタ101の電子放出量を時間的に安定化させることができる。従って、本実施の形態に係るFEDによれば、画像表示に必要とされる発光輝度を十分且つ安定的に得ることができる。
【0102】
また、本実施の形態によれば、エミッタ101側に接続されたNMOS型トランジスタ200に供給される電流を電流制御用のNMOS型トランジスタ702によって、制御するようにしたので、仮に、NMOS型トランジスタ200の電気的特性にばらつきがあったとしても、エミッタ101に対して印加する電圧および流す電流量を均一にすることができる。
【0103】
更に、本実施の形態によれば、例えば、NMOS型トランジスタ702に印加するゲート電圧Vgを階調表示に対応させて変化させることで、間接的にエミッタ101における電子放出量を変化させることも可能であるから、階調表示を行うFEDにおいても、階調再現性が高い良好な階調表示を行うことが可能となる。
【0104】
なお、本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、上記第1〜第3の実施の形態と同様である。
【0105】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記第4の実施の形態では、本発明の電界放出型電子放出装置をFEDに適用した例について説明したが、本発明の電界放出型電子放出装置を他の装置に適用することも可能である。例えば、上述のFEDにおける蛍光体の代りに、エミッタ101から放出される電子を保持する保持手段を配設して、この保持手段に電子を保持させることで情報を記録するような情報記録装置に対しても、本発明の電界放出型電子放出装置を適用することが可能である。
【0106】
また、上記各実施の形態では、半導体素子として、NMOS型トランジスタ200を用いる例について説明したが、例えば、PMOS型のトランジスタ等、他の半導体素子を使用するようにしてもよい。
【0107】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電界放出型電子放出装置によれば、固定電圧印加電極によって、複数の電子放出素子に対して固定電圧を印加し、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子によって、複数の電子放出素子に対して、必要に応じて電子を放出させるための電流を供給するようにしたので、電子放出素子に対して、電子の放出に必要とされる電流を安定して供給することができ、必要とされるだけの電子の放出量を安定的に得ることができるという効果を奏する。
【0108】
また、請求項7ないし16のいずれか1項に記載の電界放出型表示装置によれば、固定電圧印加電極によって、複数の電子放出素子に対して固定電圧を印加し、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子によって、複数の電子放出素子に対して、必要に応じて電子を放出させるための電流を供給し、電流が供給された電子放出素子から発光手段に向けて電子を放出するようにしたので、電子放出素子に対して、電子の放出に必要とされる電流を安定して供給することができ、電子放出素子から安定して電子を放出することができる。これにより、画像表示に必要とされる発光輝度を十分且つ安定的に得ることができるという効果を奏する。
【0109】
特に、請求項5記載の電界放出型電子放出装置または請求項12記載の電界放出型表示装置によれば、半導体素子のソースに供給する電流の制御を行う電流制御手段を備えるようにしたので、例えば、半導体素子の電気的特性が必要とされる特性とは異なっていたとしても、その特性の違いを吸収して、電子放出素子に対して印加する電圧および流す電流量を所望の値にすることができるという効果を奏する。
【0110】
また、請求項9記載の電界放出型表示装置によれば、請求項8記載の電界放出型表示装置において、半導体素子のゲートに印加する電圧値を画像表示における階調表示に対応させて変化させるようにしたので、半導体素子のゲート電圧を変化させることで、階調の制御を行うことが可能となるという効果を奏する。
【0111】
更に、請求項13記載の電界放出型表示装置によれば、請求項12記載の電界放出型表示装置において、電流制御手段が、画像表示における階調表示に対応させて、半導体素子のソースに供給する電流の制御を行うようにしたので、半導体素子のソース側に流れる電流を制御し、間接的に電子放出素子における電子放出量を変化させることが可能となり、階調再現性が高い良好な階調表示を行うことが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置の主要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置の主要部の構成を模式的に示す他の構成図である。
【図3】図1に示した電界放出型電子放出装置におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。
【図4】図1に示した電界放出型電子放出装置を駆動するための駆動波形を示す説明図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置におけるNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置の主要部の構成を示す構成図である。
【図8】図7に示した電界放出型電子放出装置の主要部の断面構造を示す断面図である。
【図9】図7に示した電界放出型電子放出装置における電流制御用のNMOS型トランジスタの作用を示す説明図である。
【図10】従来のFEDの一構成例を示す平面図である。
【図11】従来のFEDの一構成例を示す断面図である。
【図12】従来のFEDにおける電子放出部の構造を模式化して示した構成図である。
【図13】図12に示したFEDを駆動するために用いる駆動波形を示す説明図である。
【図14】MOSトランジスタの整流作用を用いたFEDの構成の主要部を示す構成図である。
【図15】図14に示したFEDを駆動するために用いる駆動波形を示す説明図である。
【図16】図14に示したFEDにおけるMOSトランジスタの電気的特性すなわちId−Vd特性を示す特性図である。
【図17】立ち上がり特性が極めて急峻な、実際には実現不可能なMOSトランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。
【図18】本発明の第1の実施の形態に係る電界放出型電子放出装置に対する比較例としての電界放出型電子放出装置の構造を模式化して示した構成図である。
【図19】図18に示した比較例の電界放出型電子放出装置を駆動するために用いた駆動電圧波形を示す説明図である。
【図20】図18に示した比較例の電界放出型電子放出装置に用いたNMOS型トランジスタのId−Vd特性を示す特性図である。
【符号の説明】
101…エミッタ、103…引き出し電極、104…アノード電極、200…NMOS型トランジスタ,201…ドレイン、202…ゲート、204…ソース、300…ゲート駆動回路、701…信号配線、707…信号駆動回路、708…走査駆動回路、709…走査配線。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission type electron emission device that emits electrons by field emission, and a field emission type display device that performs image display using electrons emitted by field emission.
[0002]
[Prior art]
When a high voltage is applied to the tip of a needle-like conductor or semiconductor, electrons are transmitted through the potential barrier by the tunnel effect and emitted from the tip even at room temperature. Such a phenomenon is called field emission or cold-cathode emission, and an element (member) that emits electrons by this phenomenon is called an emitter or a cold cathode.
[0003]
An element (member) that emits electrons due to such a phenomenon (hereinafter referred to as an “emitter” or an “electron-emitting element”) can effectively emit electrons even at room temperature because of its structure. Since there is no need for heating and the electron emission effect with respect to the applied voltage is high, the electron emission can be performed in response to a minute electric field at a relatively low voltage. Further, such an electron-emitting device also has a characteristic that process consistency with a semiconductor process is good, and a large number of devices can be formed in an array on a plane.
[0004]
In addition, the characteristics of the above-described electron-emitting devices are considered to be particularly suitable for flat panel display devices. A device using an electron-emitting device as a flat panel display device is called a field emission display (hereinafter simply referred to as “FED (Field Emission Display)”). The general configuration of the FED is such that an anode electrode coated with a phosphor that emits light upon collision of electrons is disposed opposite to a plurality of electron-emitting devices. In the FED having such a configuration, a current is selectively supplied to a plurality of electron-emitting devices according to an image to be displayed, and electrons are emitted from the electron-emitting devices to which the current is supplied. The electrons emitted from the electron-emitting device collide with the phosphor to emit light, and a desired image is displayed by the light emission.
[0005]
According to this FED, electrons emitted from the electron-emitting device collide with the phosphor, and the phosphor is excited to emit light. Therefore, unlike a non-light-emitting display device such as a liquid crystal display device, the FED It has the advantage of being able to display images by light emission, and is highly expected as a next-generation display device.
[0006]
10 and 11 are a plan view and a cross-sectional view, respectively, showing a configuration example of a conventional FED. In these figures, as the type of the structure of the emitter, a structure called a Spindt (person name) type having a conical shape is shown as an example. However, as the type of emitter structure, in addition to the Spindt type, the outer shape is formed in a cup-shaped structure, and the electric field is concentrated on the peripheral edge (ridgeline) portion, so that electrons are emitted from the peripheral portion. An emitter called a so-called cup-type structure has also been proposed. This cup-type emitter is also a field emission type device, similar to the Spindt type, in that it emits electrons by field emission. In these figures, however, for simplicity of explanation, the Spindt type is representative of the emitter structure. I will pick up and explain.
[0007]
The FED includes a plurality of
[0008]
Although not shown in the drawings, each component of the conventional general FED as described above is formed in a structure that is housed in, for example, a flat tube made of glass or the like and kept in a vacuum. ing.
[0009]
For example, the
[0010]
For example, a DC voltage of 3 kV is fixedly applied to the
[0011]
In the FED having such a configuration, in the
[0012]
Field emission type electron-emitting devices are considered to be particularly suitable for use in display devices having the above-described structure. However, the field of use of electron-emitting devices is not limited to display devices. For example, use of the electron-emitting device as an information recording device (memory device) has been proposed.
[0013]
An information recording element using this electron-emitting device has a configuration in which a large number of bits are formed by arranging a large number of combinations of emitters and holding means for holding electrons emitted from the emitters, for example. . In such an information recording element, it is possible to hold a 1/0 or high / low state in each bit depending on whether or not electrons are held in the holding means of each bit. Information can be recorded on the basis. That is, in this information recording element, instead of the phosphor in the above-described FED, a holding means for holding electrons emitted from the emitter is provided, and information is recorded by holding the electrons in the holding means. Recording element. Thus, it is considered that the electron-emitting device can be suitably applied to an information recording device.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above-mentioned FED has a physical characteristic that the emission efficiency is high because the emitter has a high electron emission effect on the applied voltage. For this reason, the FED is expected to perform self-luminous display with high luminance. Further, the FED is required to have high luminance stability as well as high luminance. Here, the state where the luminance stability is high is that sufficient luminance necessary for the image to be displayed is maintained in a constant state. In order to ensure the luminance stability of such an FED, it is necessary that electrons are stably emitted from the emitter. Further, in order to stably emit electrons from the emitter, it is necessary that the current supplied to the emitter is stable.
[0015]
Therefore, in the conventional FED, in order to stabilize the current supplied to the emitter, for example, an electric resistor of about 1 MΩ is connected to the cathode electrode, current control by the resistor is performed, and the current flowing through the cathode electrode itself is controlled. A method that aims to stabilize is adopted. However, in the method using this resistor, current is supplied to the
[0016]
On the other hand, in the conventional FED, besides the method using a resistor, a method for stabilizing the current supplied to the emitter using the rectifying action of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor has been proposed. In this method, for example, a MOS transistor is connected between a cathode electrode and a data driver that applies a signal voltage to the cathode electrode. The source of the MOS transistor is connected to the data driver, the drain is connected to the cathode electrode, and the gate is always turned on. Then, a signal is input from the data driver to the source side of the MOS transistor, and a signal from the scan driver is input to the extraction electrode, so that a current flows to the cathode electrode connected to the drain side, and an electron is transmitted from the emitter. Release is made. At this time, the current flowing to the drain side of the MOS transistor is controlled by a preset gate voltage at the gate which is always on.
[0017]
Such a method using a MOS transistor does not require the use of a resistor, and therefore has an advantage that the increase in power consumption is smaller than that in the case of using a resistor. However, this method of using a MOS transistor has a problem that a high voltage (for example, 50 V) for generating a strong electric field from the data driver to the emitter must be applied, which increases the burden on the data driver. . In addition, the method of using the MOS transistor has a problem that the supply current to the emitter is not completely stabilized, and the supply current is reduced.
[0018]
As a method of not applying a high voltage, a large number of Spindt-type emitters having a small Taylor cone with a radius of curvature of 0.05 μm or less are arranged in correspondence with one pixel in correspondence with small holes of 0.1 μm. There is a way to do it. This method has the advantage that the voltage required for electron emission is relatively low because the emitter is very small, but the problem that the manufacturing process becomes difficult and the stability of operation become difficult. There is a problem of becoming.
[0019]
Next, with reference to the drawings, the problem of a decrease in supply current to the emitter in the conventional FED will be described in more detail.
[0020]
FIG. 12 is a diagram schematically showing the structure of an electron emission portion in a conventional FED. The FED shown in this figure is prepared as an experimental sample in order to consider the problem of a decrease in supply current to the emitter. In this FED, a comb-shaped
[0021]
In this FED, when the potential of the
[0022]
When an FED of an experimental sample schematically representing such a conventional FED structure is driven with a pulsed applied voltage waveform having a period of 0.1 second as shown in FIG. 13A, the potential Vc of the
[0023]
FIG. 14 is a diagram schematically showing the structure of the FED using the rectifying MOS transistor described above with respect to the FED shown in FIG. Similar to the FED shown in FIG. 12, the FED shown in the figure is prepared as an experimental sample in order to consider the problem of a decrease in supply current to the
[0024]
When the FED using the
[0025]
Such a decrease in the emitter current is considered as follows with reference to the drain current-drain voltage characteristics (Id-Vd characteristics) of the
[0026]
Thus, although it is considered that it is effective to stabilize the current supplied to the
[0027]
In order to solve the problem that the current cannot be stabilized even if such a
[0028]
However, in practice, realizing a MOS transistor having an Id-Vd characteristic that rises very steeply in a narrow region of a low voltage of 0 to 0.1 V as shown in FIG. 17 is a great departure from current LSI technology. Therefore, its realization is extremely difficult or impossible. Therefore, it is practically impossible to stabilize the current Id by using a MOS transistor having an Id-Vd characteristic as shown in FIG.
[0029]
Alternatively, if a MOS transistor having an Id-Vd characteristic capable of flowing a drain current Id = 1 μA at least when the potential Vc = 1 V of the
[0030]
Further, as the MOS transistor, for example, a MOS transistor having such a characteristic that the Id-Vd characteristic rises from a reverse voltage region such as −5 V and is already in a saturation region at Vd = 0 V may be used. However, directly connecting such a MOS transistor that allows application of a reverse voltage to a
[0031]
The decrease in the supply current to the emitter as described above leads to a decrease in light emission luminance in image display in the FED. Further, such a decrease in the supply current to the emitter becomes a problem even in an information recording element using the above-described electron-emitting device, for example. That is, in the information recording element, as in the case of the FED, there is a problem that an information recording operation failure occurs due to a large fluctuation of the emitter current caused by the fluctuation of the emitter voltage.
[0032]
The present invention has been made in view of such problems, and a first object of the present invention is to provide a field emission electron capable of stably supplying a current required for electron emission to an electron-emitting device. It is to provide a discharge device.
[0033]
A second object of the present invention is to provide a field emission display device capable of sufficiently and stably obtaining light emission luminance required for image display.
[0034]
[Means for Solving the Problems]
The field emission electron emission device according to the present invention has a structure in which an electron corresponding to an amount of current supplied corresponds to an electric field generated by a potential difference between a fixed voltage application electrode to which a fixed voltage is applied and a fixed voltage application electrode. A plurality of electron-emitting devices that perform emission are electrically connected to one or two or more electron-emitting devices via a drain, and a voltage applied to the gate is changed, so that a current supply amount to the electron-emitting devices can be reduced. It is possible to perform control, and a sufficient current value required for emitting electrons from a plurality of electron-emitting devices is in a non-saturated region defined by the drain current-drain voltage characteristics. And a semiconductor element.
[0035]
In addition, the field emission display device according to the present invention includes an electron corresponding to the amount of current supplied corresponding to an electric field generated by a potential difference between a fixed voltage application electrode to which a fixed voltage is applied and the fixed voltage application electrode. A plurality of electron-emitting devices that emit electrons, and one or two or more electron-emitting devices that are electrically connected to the electron-emitting devices via a drain, and a plurality of electron-emitting devices by changing a voltage applied to the gate. The amount of current supplied to the device can be controlled, and a sufficient current value required for emitting electrons from the plurality of electron-emitting devices is determined by the drain current-drain voltage characteristics. The semiconductor device has a saturation region and a light emitting means for emitting light in response to collision of electrons emitted from the electron emitting device.
[0036]
In the field emission electron emission apparatus according to the present invention, a fixed voltage is applied to a plurality of electron-emitting devices by a fixed voltage application electrode, and one or more electron-emitting devices are electrically connected via a drain. By changing the voltage applied to the gate, it is possible to control the amount of current supplied to the plurality of electron-emitting devices, and it is sufficient to emit electrons from the plurality of electron-emitting devices. A semiconductor element whose current value is in the non-saturated region defined by the drain current-drain voltage characteristic is supplied with a current for emitting electrons to a plurality of electron-emitting devices as necessary. The
[0037]
In the field emission display device according to the present invention, a fixed voltage is applied to the plurality of electron-emitting devices by the fixed voltage application electrode, and one or two or more electron-emitting devices are electrically connected via the drain. By changing the voltage applied to the gate, it is possible to control the amount of current supplied to the electron-emitting device, and it is sufficient to emit electrons from a plurality of electron-emitting devices. A semiconductor element whose current value is in a non-saturated region defined by the drain current-drain voltage characteristic is supplied with a current for emitting electrons as necessary to a plurality of electron-emitting devices, Electrons are emitted from the electron-emitting device supplied with current toward the light emitting means.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0039]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the main part of the field emission electron emission device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is another configuration diagram schematically showing the configuration of the main part of the field emission electron emission device according to the present embodiment. In these figures, as the type of emitter structure, the outer shape is formed in a cup-like structure, and an electric field is concentrated on the peripheral edge (ridgeline) portion to emit electrons from the peripheral portion. A so-called cup type structure is shown as an example. However, as the type of emitter structure, in addition to the cup type, an emitter having a conical shape called a Spindt type has been proposed. It is also possible to use this Spindt-type emitter for the field emission electron emission device according to the present embodiment. However, in the following, for simplicity of explanation, the cup type will be described as a representative example of the emitter structure.
[0040]
The field emission type electron emission device includes a
[0041]
Here, the
[0042]
The field emission electron emission device is further connected to a plurality of
[0043]
Here, the
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing drain current-drain voltage characteristics (Id-Vd characteristics) of the
[0047]
The
[0048]
As shown in FIG. 4A, the
[0049]
Next, the operation of the field emission electron emission device having the above configuration will be described.
[0050]
FIG. 4 is a timing chart showing various drive waveforms for driving the field emission electron emission device according to the present embodiment. In the figure, as an example of the operation, a case where a pulsed applied voltage waveform having a wave height of 5 V is applied from the
[0051]
Here, when the state of the gate voltage Vg applied from the
[0052]
On the other hand, when the state of the gate voltage Vg applied from the
[0053]
In the field emission electron emission device of this embodiment, if the current flowing through the
[0054]
For example, by setting the lead-out voltage Vex to a voltage higher than 250V and setting the voltage Vc = Vd to a voltage value V1 satisfying 0.1 <V1 <4, the voltage value Vd = V1 corresponds to FIG. A drain current Id = I1 μA (1 <I1 <10) in the non-saturation region according to the Id-Vd characteristic as shown in B) can be obtained. Needless to say, the current flowing through the
[0055]
[Comparative example]
Next, a comparative example for the field emission electron emission device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0056]
FIG. 18 is a diagram schematically showing the structure of an electron emission portion in a field emission electron emission device as a comparative example. The apparatus of the comparative example shown in this figure is prepared as an experimental sample in order to compare operating characteristics with the field emission electron emission apparatus according to the present embodiment. The device of this comparative example is provided with a
[0057]
The device of this comparative example is further connected to the
[0058]
In the device of this comparative example, the gate of the
[0059]
Thus, in the apparatus of this comparative example, whether to emit electrons from the
[0060]
Next, the operation characteristics of the comparative apparatus having such a configuration will be described.
[0061]
FIG. 19 is a timing chart showing various drive waveforms for driving the device of this comparative example. When the device of this comparative example is driven by the
[0062]
Next, such a decrease in the emitter current will be considered with reference to the drain current-drain voltage characteristics (Id-Vd characteristics) of the
[0063]
In the device of this comparative example, as shown in FIG. 5A, the drain voltage Vd is 1 V at the time of the first (t = 0), so that a sufficient drain of 1 μA in the saturation region is corresponding to this. A current Id flows through the
[0064]
As described above, in the device of this comparative example, the current flowing through the
[0065]
As described above, according to the present embodiment, the extraction voltage Vex applied to the
[0066]
Further, according to the present embodiment, as the
[0067]
Furthermore, according to the present embodiment, since the
[0068]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
[0069]
In the first embodiment, as described with reference to FIG. 3, a current (maximum emission) in a state where the extraction voltage Vex of 250 V is applied to the
[0070]
FIG. 5 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of the NMOS transistor in the field emission electron emission device according to the present embodiment. In the figure, the curve indicated by reference sign G0 'is a curve showing the Id-Vd characteristics of the NMOS transistor in this embodiment. In the NMOS transistor of the present embodiment shown in the figure, the drain current Id in the saturation region is 100 μA which is higher than the maximum emission current (20 μA in the example in the figure). In the present embodiment, the value of the drain current Id in the saturation region may be a value that exceeds the maximum emission current of the
[0071]
The NMOS transistor having the characteristics shown in FIG. 5 is similar to the
[0072]
By using the NMOS transistor having such characteristics, the maximum emission current of the
[0073]
Note that other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
[0074]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
[0075]
In the first embodiment and the second embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the NMOS transistor having the characteristic of the maximum operating voltage of 5V is driven with the same voltage as the maximum operating voltage. However, in this embodiment, an NMOS transistor having a maximum operating voltage higher than that of the NMOS transistor shown in FIGS. 3 and 5 is driven at a voltage lower than the maximum operating voltage. It is.
[0076]
FIG. 6 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of an NMOS transistor in the field emission electron emission device according to the present embodiment. In the example shown in the figure, the current (maximum emission current) when the
[0077]
Further, in the NMOS transistor according to the present embodiment, by changing the gate voltage Vg within the range of 0 <Vg ≦ 50V, various changes based on the Id-Vd characteristic curve corresponding to the change of the gate voltage Vg. It is also possible to obtain a drain current Id having a current value. For example, when a gate voltage Vg of 50 V is applied and the drain voltage Vd is 0.1 V and a drain current Id of I2 μA is obtained, the gate voltage Vg is changed within the range of 0 <Vg ≦ 50V. Correspondingly, a drain current Id in the range of 1 <Id ≦ I2 can be obtained. Thus, by changing the gate voltage Vg, various drain currents Id can be obtained, and the amount of electrons emitted from the
[0078]
As described above, according to the present embodiment, since the NMOS transistor having a high operating voltage is driven at the maximum operating voltage or a voltage lower than the maximum operating voltage, the gate voltage Vg is changed and the drain is correspondingly changed. The amount of electron emission from the
[0079]
Other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first and second embodiments.
[0080]
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
[0081]
FIG. 7 is a configuration diagram showing a configuration of a main part of an FED as a field emission type electron emission device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the FED according to the present embodiment. The FED according to this embodiment uses a field emission type electron-emitting device as described in each of the above embodiments as a display device. In this FED, one screen is constituted by a collection of a plurality of pixels arranged in a matrix array. In the FED, a plurality of
[0082]
This FED is electrically connected to the
[0083]
The FED further includes an anode electrode 104 disposed to face the
[0084]
Here, the phosphor layer 800 corresponds to a specific example of “light emitting means” in the present invention. In the present embodiment, the anode electrode 104 and the
[0085]
The FED further includes a plurality of
[0086]
Here, the
[0087]
The
[0088]
The
[0089]
Next, the operation of the FED configured as described above will be described.
[0090]
In this FED, a fixed electric voltage is constantly applied to the anode electrode 104 and the
[0091]
The
[0092]
When the
[0093]
Here, since the FED according to the present embodiment is configured using the field emission electron emission devices according to the first to third embodiments, the amount of current supplied to the
[0094]
Next, the current control action by the
[0095]
FIG. 9 is a diagram for explaining the action of current control by the
[0096]
For example, when the Id-Vd characteristics vary among the plurality of
An example of characteristics of the S-
[0097]
In the present embodiment, the variation in the drain current Id caused by the variation in the electrical characteristics of the
[0098]
FIG. 9C shows an example of Id-Vd characteristics of the
[0099]
Here, in order to obtain the Id-Vd characteristics as shown in FIG. 9C, for example, a method of applying a positive bias voltage to the substrate of the
[0100]
For example, the source voltage of the
[0101]
As described above, according to the present embodiment, the field emission type electron-emitting device having the effects as described in the first to third embodiments is used. The current required for electron emission can be stably supplied, and the electron emission amount of the
[0102]
Further, according to the present embodiment, the current supplied to the
[0103]
Furthermore, according to the present embodiment, for example, by changing the gate voltage Vg applied to the
[0104]
In addition, the other structure, an effect | action, and effect in this Embodiment are the same as that of the said 1st-3rd embodiment.
[0105]
In addition, this invention is not limited to said each embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, in the fourth embodiment, the field emission electron emission device of the present invention is applied to the FED. However, the field emission electron emission device of the present invention can be applied to other devices. It is. For example, in place of the phosphor in the above-described FED, a holding means for holding electrons emitted from the
[0106]
In each of the above-described embodiments, the example in which the
[0107]
【The invention's effect】
As described above, according to the field emission electron emission device of any one of
[0108]
The field emission display device according to any one of
[0109]
Particularly, according to the field emission electron emission device according to
[0110]
According to the field emission display device according to
[0111]
Furthermore, according to the field emission display device according to claim 13, in the field emission display device according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a main part of a field emission electron emission device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is another configuration diagram schematically showing the configuration of the main part of the field emission electron emission device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of an NMOS transistor in the field emission electron emission device shown in FIG.
4 is an explanatory diagram showing drive waveforms for driving the field emission electron emission device shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of an NMOS transistor in a field emission electron emission device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of an NMOS transistor in a field emission electron emission device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a configuration of a main part of a field emission electron emission device according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a main part of the field emission electron emission device shown in FIG.
9 is an explanatory diagram showing the operation of an NMOS transistor for current control in the field emission electron emission device shown in FIG. 7;
FIG. 10 is a plan view showing a configuration example of a conventional FED.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conventional FED.
FIG. 12 is a configuration diagram schematically showing the structure of an electron emission portion in a conventional FED.
13 is an explanatory diagram showing drive waveforms used to drive the FED shown in FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a configuration diagram showing a main part of a configuration of an FED using a rectifying action of a MOS transistor.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing drive waveforms used to drive the FED shown in FIG. 14;
16 is a characteristic diagram showing electrical characteristics, that is, Id-Vd characteristics, of a MOS transistor in the FED shown in FIG.
FIG. 17 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of a MOS transistor that has extremely steep rise characteristics and is not actually realizable.
FIG. 18 is a configuration diagram schematically showing the structure of a field emission electron emission device as a comparative example for the field emission electron emission device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 19 is an explanatory diagram showing drive voltage waveforms used for driving the field emission electron emission device of the comparative example shown in FIG. 18;
20 is a characteristic diagram showing Id-Vd characteristics of an NMOS transistor used in the field emission electron emission device of the comparative example shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記固定電圧印加電極との間の電位差によって生じる電界に対応して、供給された電流量に応じた電子の放出を行う複数の電子放出素子と、
ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記複数の電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、前記複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子と
を備えたことを特徴とする電界放出型電子放出装置。A fixed voltage application electrode to which a fixed voltage is applied; and
A plurality of electron-emitting devices that emit electrons according to the amount of current supplied in response to an electric field generated by a potential difference with the fixed voltage application electrode;
It is possible to control the amount of current supplied to the plurality of electron-emitting devices by electrically connecting each of one or more electron-emitting devices via the drain and changing the voltage applied to the gate. And a semiconductor device in which a sufficient current value required for emitting electrons from the plurality of electron-emitting devices is in a non-saturated region defined by a drain current-drain voltage characteristic. A field emission type electron-emitting device.
前記固定電圧印加電極との間の電位差によって生じる電界に対応して、供給された電流量に応じた電子の放出を行う複数の電子放出素子と、
ドレインを介して1または2以上の電子放出素子毎に前記電子放出素子に電気的に接続され、ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記複数の電子放出素子に対する電流の供給量の制御を行うことが可能であると共に、前記複数の電子放出素子から電子を放出させるために必要とされる充分な電流値が、ドレイン電流−ドレイン電圧特性によって規定される非飽和領域内にあるような半導体素子と、
前記電子放出素子から放出された電子の衝突に応じて発光する発光手段と
を備えたことを特徴とする電界放出型表示装置。A fixed voltage application electrode to which a fixed voltage is applied; and
A plurality of electron-emitting devices that emit electrons according to the amount of current supplied in response to an electric field generated by a potential difference with the fixed voltage application electrode;
Controlling the amount of current supplied to the plurality of electron-emitting devices by electrically connecting to the electron-emitting device every one or two or more electron-emitting devices via a drain and changing a voltage applied to the gate. A semiconductor capable of being performed and having a sufficient current value required for emitting electrons from the plurality of electron-emitting devices in a non-saturated region defined by a drain current-drain voltage characteristic Elements,
A field emission display device comprising: a light emitting unit that emits light in response to collision of electrons emitted from the electron emitting device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13228399A JP4395918B2 (en) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | Field emission type electron emission device and field emission type display device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13228399A JP4395918B2 (en) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | Field emission type electron emission device and field emission type display device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000323014A JP2000323014A (en) | 2000-11-24 |
JP4395918B2 true JP4395918B2 (en) | 2010-01-13 |
Family
ID=15077672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13228399A Expired - Fee Related JP4395918B2 (en) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | Field emission type electron emission device and field emission type display device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4395918B2 (en) |
-
1999
- 1999-05-13 JP JP13228399A patent/JP4395918B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2000323014A (en) | 2000-11-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20010050415A (en) | Image display device | |
US20030038792A1 (en) | Image display apparatus | |
JP4424622B2 (en) | Light emitting device and display device | |
KR100245827B1 (en) | Driving method and driving apparatus of an image display apparatus | |
JP4714953B2 (en) | Flat panel display | |
JP4395918B2 (en) | Field emission type electron emission device and field emission type display device | |
KR100447117B1 (en) | Flat Display Panel | |
KR100288549B1 (en) | Field emission display | |
KR100538144B1 (en) | Light emitting device driving circuit and display panel having matrix structure adopting light emitting device driving circuit | |
US6340962B1 (en) | Plane type displaying apparatus | |
US6400071B1 (en) | Field emission display device having a surface conduction type electron emitting source | |
KR100470207B1 (en) | Apparatus and Method for Driving of Metal Insulator Metal Field Emission Display | |
KR100469975B1 (en) | Apparatus for driving metal-insulator-metal field emission display using constant-current circuit | |
JP2832919B2 (en) | Display device using field emission device | |
US6746884B2 (en) | Method of manufacturing field-emission electron emitters and method of manufacturing substrates having a matrix electron emitter array formed thereon | |
KR100430085B1 (en) | Flat Display Panel and Driving Method Thereof | |
JP4947336B2 (en) | Field emission device | |
KR100585650B1 (en) | Large display drive circuit | |
JP2005222074A (en) | Image display device | |
JPH06208341A (en) | Image display apparatus | |
JP2000173445A (en) | Electron emission device and its driving method | |
KR100456138B1 (en) | Apparatus and Method for Driving of Metal Insulator Metal Field Emission Display | |
KR100517957B1 (en) | The matrix structure of metal-insulator-metal field emission display | |
Suzuki et al. | Low-power drive method for MIM-cathode displays | |
KR100577992B1 (en) | Driving device and method of planar field emission display device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060118 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090929 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20091012 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121030 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |