場致發射射頻放大器的製作方法
2023-10-08 21:56:54 8
專利名稱：場致發射射頻放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種場致發射RF(射頻)放大器，並更具體地，涉及一種其中場致發射器件執行放大的RF放大器。
背景技術：
RF放大器在被供給預定DC偏壓的情況下通過RF輸入端接收RF信號，並放大RF信號的振幅到RF輸出端。對於這樣的RF放大，RF放大器包括位於RF輸入端和RF輸出端之間的RF放大單元。
電晶體可以是RF放大器。但是，由於該電晶體採用固態矽，所以電晶體的電子遷移率很差。
因此，允許真空狀態下的電子遷移的真空管可代替該電晶體，但是，存在傳統真空管的體積很大的問題。
當前正在進行採用場致發射器件作為真空板中的放大單元的研究。
在D.Palmer等人所著的「Silicon Field Emitter Arrays with LowCapacitance and Improved Transconductance for Microwave AmplifierApplications」J.Vac.Sci，Techno.B 13(2)，Mar/Apr 1995，pp.576-579中公開了採用矽場致發射器陣列進行RF放大的例子。
但是，因為用於RF放大的FEA(場致發射陣列)結構採用由二氧化矽構成的4μm厚的柵極絕緣層，所以由於柵極和陰極之間電容增加而使得難以匹配RF器件的標準輸入/輸出阻抗50Ω。同樣，該電容的增加使得輸出電流減小，從而惡化了RF信號的放大效應。
發明內容
本發明提供了一種場致發射RF放大器，其通過將真空場致發射器件安排為平面型而利於不同RF端子的阻抗匹配，並改善RF放大效應。
根據本發明的一個方面，提供了一種RF放大器，包括襯底上的RF放大單元，該RF放大單元包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊並以預定距離與陰極隔開；陽極，以與陰極相對的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發射源，位於陰極上，該電子發射源藉助電場發射電子；以及反射電極，形成在襯底之上並與襯底平行，其中RF信號輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，並且RF輸出端和DC陽極偏壓電連接到陽極。
在反射電極和襯底之間形成真空空間，該真空空間包括陰極、柵極和陽極施加負電壓到反射電極，使得從電子發射源輸出的電子朝向陽極反射陽極、柵極和陰極被設置在與襯底相同的表面上。
電子發射源為CNT。
根據本發明的另一個方面，提供了一種RF放大器，包括襯底上的多個RF放大單元，所述多個RF放大單元中的每個包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊並以預定距離與陰極隔開；陽極，以與陰極相對的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發射源，位於陰極上，該電子發射源藉助電場發射電子；以及反射電極，形成在襯底之上並與襯底平行，其中RF輸入信號和DC陰極偏壓電連接到陰極，並且RF輸出信號和DC陽極偏壓電連接到陽極。
所述RF放大單元彼此串聯連接。
電容器被設置在RF放大單元之間。
通過參考附圖對示範實施例進行詳細描述，本發明的上述和其它特徵和優點將變得更加清楚，其中圖1是示出根據本發明優選實施例的用於場致發射RF放大器的RF放大單元的示意結構的剖面圖；圖2是圖1的RF放大單元的操作的仿真；圖3是根據本發明實施例的RF放大器的示意性平面圖；圖4是圖3的等效電路圖；圖5是根據本發明另一實施例的RF放大器的示意性平面圖；以及圖6是圖5的等效電路圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖對根據本發明的場致發射RF放大器的優選實施例進行詳細描述。這裡，為清楚起見而放大了附圖中所示的層厚或者面積。
圖1是示出根據本發明優選實施例的用於場致發射RF放大器的RF放大單元的示意結構的剖面圖。
參考圖1，陽極140、柵極130、以及陰極120以預定的距離隔開並定位在RF放大器的襯底110上。電子發射源，例如CNT發射器121形成在陰極120上。反射電極150以預定的距離與襯底110隔開並定位。壁體160形成在反射電極150和襯底110的邊緣之間，使得其間形成真空空間。作為用真空密封該真空空間的方法，可以採用用於傳統平板顯示器的熱除氣方法。同樣，可能通過將用於氣體吸收的除氣材料如ST122放置在襯底110和/或反射電極150上而形成真空空間。
襯底110可以由例如氧化鋁材料或石英材料的絕緣材料製成。
陽極140、柵極130和陰極120可以採用導電材料如ITO或Cr形成為0.25μm的厚度。在柵極130和陰極120之間形成50μm的間隙。每個陽極140、柵極130和陰極120可以形成寬度為500到900μm。這種500到900μm寬度的設計規則有利於RF微波傳輸帶電路的阻抗匹配。
CNT發射器121可以通過絲網印刷和低溫乾燥處理而形成。可替換地，也可以在陰極120上形成CNT催化劑金屬，然後流通含碳的氣體，並在該CNT催化劑金屬上逐漸形成CNT。
圖2是示出圖1的場致發射RF放大器的操作的仿真圖。參考圖1和2，陽極140、柵極130、和陰極120設置在同一平面上並設計為每個具有900μm、500μm、和500μm的寬度。陽極140和柵極130之間的間隙以及柵極130和陰極120之間的間隙分別設計為800μm和50μm。電極的長度設計為1mm。反射電極150與下部電極120、130、和140隔開1.1mm。
此外，將1.5kV、-130V和-140V的DC電壓分別施加到陽極140、陰極120和反射電極150上，柵極130接地。優選的是，將比施加到陰極120的負電壓大的負電壓施加到反射電極150。該具有負電壓的反射電極150使得由柵極130從陰極120提取的電子成曲線朝向柵極130並改變其方向，從而與具有強電壓的陽極140發生碰撞。
圖3是根據本發明實施例的RF放大器的示意性平面圖。本實施例中基本相同的組件在全部附圖中被標以相同的附圖標記，並且省去其詳細描述。
參考圖3，RF放大器包括RF放大單元。RF放大單元由襯底110上的電極120、130和140，以與電極120、130和140相對的方式從電極120、130和130向上隔開的反射電極150，以及形成在反射電極150和襯底110的邊緣之間的用於密封的壁體(圖1的160)組成。RF放大單元的內部空間維持在真空狀態。
通過RF輸入端210接收的RF信號被輸入到陰極120的一端。用於過濾DC偏壓的電容器C1設置在RF輸入端210和陰極120之間。同樣，外部DC偏置陰極電壓-Vc通過電感器L1施加到每個陰極120。電感器L1濾去輸入到陰極120的交流分量。
柵極130接地。
DC偏置陽極電壓+Va通過電感器L3施加到陽極140。電感器L3防止交流分量輸入到陽極140。
由陽極140放大的RF信號通過電容器C3輸入到RF輸出端220。電容器C3防止DC偏壓流到RF輸出端220。
其間，電容器C4和C5為隔直流電容器，用於防止從RF輸入端210傳輸來的RF信號漏出。電容器C4、C5和對應於該電容器C4、C5的電感器L1、L3形成低頻濾波器。
下面，對具有上述結構的RF放大器的操作進行描述。
首先，通過RF輸入端210接收的RF信號被傳輸到陰極120並在陰極120與DC偏置陰極電壓-Vc混合。接著，通過柵極130從陰極120上的CNT發射器121發射電子，該發射的電子朝向柵極130形成曲線。此時，通過施加到反射電極150的負電壓而從反射電極150反射電子，並前進到陽極140。此時，陽極140中RF信號的電流變化寬度根據陰極電壓-Vc和柵極電壓之間的電壓差而增加。就是說，如果柵極130接地並且將-120V到-140V的DC電壓施加到陰極120，那麼陽極140中RF信號的電流變化寬度ΔI將隨著陽極140上碰撞的電子而增加，使得RF信號具有這樣的電壓變化寬度ΔV，該電壓變化寬度ΔV是電流變化寬度ΔI與作為金屬條的陽極140的阻抗的乘積。就是說，由於通過RF輸入端210接收的RF信號的電壓變化寬度在陽極140處增加，所以RF信號被放大。
電容器C1去除通過RF輸入端210接收的RF信號中的DC分量。
其間，電感器L1和L3使得從陰極偏壓-Vc和陽極偏壓+Va傳輸的DC偏壓通過，並隔斷交流分量。
電容器C4和C5防止陰極120和陽極140的RF信號通過電感器L1和L3漏出。
圖4是圖3的等效電路圖。
參考圖4，附圖標記Z1和Z2分別表示由在連接到對應電極的DC偏壓的傳輸路徑中設置的電容器和電感器的容抗和感抗所創建的阻抗。阻抗可被創建為接近由於電容減小的RF電路的阻抗匹配所需的標準阻抗。
圖5是根據本發明的另一實施例的RF放大器的示意性平面圖。本實施例中基本相同的元件在全部附圖中被標以相同的附圖標記，並且省去其詳細描述。
參考圖5，RF放大器包括兩個RF放大單元(第一RF放大單元和第二RF放大單元)。每個RF放大單元由襯底110上的電極120、130和140，以與電極120、130和140相對的方式從電極120、130和140向上隔開的反射電極150，以及形成在反射電極150和襯底110的邊緣之間的用於密封的壁體(圖1的160)組成。RF放大單元的內部空間維持在真空狀態。
電容器C2設置在RF放大單元之間用於濾去從第一RF放大單元輸出的RF功率的DC偏壓並且僅使RF信號通過。
通過RF輸入端210接收的RF信號或者來自第一RF放大單元的放大RF信號被輸入到每個陰極120的一端。用於過濾DC偏壓的電容器C1和C2設置在RF信號和陰極120之間。同樣，外部DC偏置陰極電壓-Vc通過電感器L1和L2施加到每個陰極120。電感器L1和L2濾去輸入到陰極120的交流分量。
每個柵極130接地。
DC偏置陽極電壓Va通過電感器L3和L4被施加到每個陽極140。電感器L3和L4防止交流分量輸入到陽極140。
通過第二RF放大單元並在陽極140放大的RF信號通過電容器C3輸入到RF輸出端220。電容器C3防止DC偏壓流向RF輸出端。
其間，電容器C4和C5為隔直流電容器，用於防止通過RF輸入端210接收的RF信號或者輸入到第二RF放大單元的RF信號漏出。電容器C4、C5和對應電感器L1、L2、L3和L4形成低頻濾波器。
下面，對具有上述結構的RF放大器的操作進行描述。
首先，從RF輸入端210接收的RF信號被傳輸到陰極120並在陰極120與DC偏置陰極電壓-Vc混合。接著，通過柵極130從陰極120上的CNT發射器121發射電子，該發射的電子向柵極130形成曲線。這是，通過施加到反射電極150的負電壓從反射電極150反射電子，並前進到陽極140。此時，陽極140中RF信號的電流變化寬度根據陰極電壓-Vc和柵極電壓之間的電壓差而增加。也就是說，如果柵極130接地並且將-120到-140V的DC電壓施加到陰極120，那麼陽極140中RF信號的電流變化寬度ΔI將隨著陽極140上的電子碰撞而增加，使得RF信號具有這樣的電壓變化寬度ΔV，該電壓變化寬度ΔV是電流變化寬度ΔI與作為金屬條的陽極140的阻抗的乘積。就是說，由於通過RF輸入端210接收的RF信號的電壓變化寬度在陽極140處增加，所以RF信號被放大。
接著，在陽極140的放大RF信號通過電容器C2使得DC偏壓被阻斷。從而，第一放大RF信號被輸入到第二RF放大單元的陰極120。輸入到第二RF放大單元的RF信號以上述方式被第二RF放大單元放大並被輸入到電容器C3。因此，在通過電容器C3之後去除了DC電壓的RF信號被輸出到RF輸出端220。
電容器C1去除通過RF輸入端210接收的RF信號中的DC分量。
其間，電感器L1到L4使得陰極偏壓-Vc或陽極偏壓+Va的DC偏壓通過，並隔斷交流分量。
電容器C4和C5防止陰極120和陽極140上的RF信號通過電感器漏出。
圖6是圖5的等效電路圖。
參考圖6，附圖標記Z1到Z4分別表示由在連接到對應電極的DC偏壓的傳輸路徑中設置的電容器和電感器的容抗和感抗所形成的阻抗。可使該阻抗接近由於電容減小的RF電路的阻抗匹配所需的標準阻抗。
在上述實施例中，對包括兩個RF放大單元的RF放大器進行了描述，但是，本發明並不限於此。就是說，可以實現包括三個或更多RF放大單元的RF放大器。
如上所述，由於根據本發明的場致發射RF放大器採用具有真空狀態的平面型場致發射器件作為RF放大單元，所以可能提高放大單元的電子遷移性並改善放大效應。同樣，通過在平面上安排形成場致發射器件的電極，有可能減小柵極和陰極之間的容抗並從而容易產生標準阻抗。
儘管已經參考本發明的某些優選實施例而示出和描述了本發明，但是本領域的技術人員應當理解，可以在其中做出形式上和細節上的各種變化，而不脫離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種RF放大器，包括襯底上的RF放大單元，該RF放大單元包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊並以預定距離與陰極隔開；陽極，以與陰極相對的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發射源，位於陰極上，該電子發射源藉助電場發射電子；以及反射電極，形成在襯底之上並與襯底平行，其中RF信號輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，並且RF輸出端和DC陽極偏壓電連接到陽極。
2.根據權利要求1的RF放大器，其中在反射電極和襯底之間形成真空空間，該真空空間包括陰極、柵極和陽極。
3.根據權利要求1的RF放大器，其中施加負電壓到反射電極，使得從電子發射源輸出的電子朝向陽極反射。
4.根據權利要求1的RF放大器，其中陽極、柵極和陰極被設置在與襯底相同的表面上。
5.根據權利要求1的RF放大器，其中該電子發射源為CNT。
6.一種RF放大器，包括襯底上的多個RF放大單元，所述多個RF放大單元中的每個包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊並以預定距離與陰極隔開；陽極，以與陰極相對的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發射源，位於陰極上，該電子發射源藉助電場發射電子；以及反射電極，形成在襯底之上並與襯底平行，其中RF輸入信號和DC陰極偏壓電連接到陰極，並且RF輸出信號和DC陽極偏壓電連接到陽極。
7.根據權利要求6的RF放大器，其中在反射電極和襯底之間形成真空空間，該真空空間中包括RF放大單元的陰極、柵極和陽極。
8.根據權利要求6的RF放大器，其中施加負電壓到反射電極，使得從電子發射源輸出的電子朝向對應陽極反射。
9.根據權利要求6的RF放大器，其中RF放大單元的陽極、柵極和陰極被設置在與襯底相同的表面上。
10.根據權利要求6的RF放大器，其中該電子發射源為CNT。
11.根據權利要求6的RF放大器，其中所述RF放大單元彼此串聯連接。
12.根據權利要求11的RF放大器，其中在RF放大單元之間設置有電容器，並且該電容器的一端連接到前一RF放大單元的陽極而該電容器的另一端連接到RF放大單元的陰極。
全文摘要
提供了一種場致發射RF放大器。該場致發射RF放大器包括襯底上的RF放大單元。該RF放大單元包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊並以預定距離與陰極隔開；陽極，以與陰極相對的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發射源，位於陰極上，該電子發射源藉助電場發射電子；以及反射電極，形成在襯底之上並與襯底平行。RF信號輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，並且RF輸出端和DC陽極偏壓電連接到陽極。
文檔編號H03F1/02GK1674433SQ20051007163
公開日2005年9月28日 申請日期2005年2月8日 優先權日2004年2月14日
發明者安德烈·朱爾卡尼夫, 崔濬熙 申請人:三星Sdi株式會社