專(zhuān)利名稱(chēng)：場(chǎng)致發(fā)射射頻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)致發(fā)射RF(射頻)放大器，并更具體地，涉及一種其中場(chǎng)致發(fā)射器件執(zhí)行放大的RF放大器。
背景技術(shù)：
RF放大器在被供給預(yù)定DC偏壓的情況下通過(guò)RF輸入端接收RF信號(hào)，并放大RF信號(hào)的振幅到RF輸出端。對(duì)于這樣的RF放大，RF放大器包括位于RF輸入端和RF輸出端之間的RF放大單元。
晶體管可以是RF放大器。但是，由于該晶體管采用固態(tài)硅，所以晶體管的電子遷移率很差。
因此，允許真空狀態(tài)下的電子遷移的真空管可代替該晶體管，但是，存在傳統(tǒng)真空管的體積很大的問(wèn)題。
當(dāng)前正在進(jìn)行采用場(chǎng)致發(fā)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(kāi)了采用硅場(chǎng)致發(fā)射器陣列進(jìn)行RF放大的例子。
但是，因?yàn)橛糜赗F放大的FEA(場(chǎng)致發(fā)射陣列)結(jié)構(gòu)采用由二氧化硅構(gòu)成的4μm厚的柵極絕緣層，所以由于柵極和陰極之間電容增加而使得難以匹配RF器件的標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的放大效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種場(chǎng)致發(fā)射RF放大器，其通過(guò)將真空?qǐng)鲋掳l(fā)射器件安排為平面型而利于不同RF端子的阻抗匹配，并改善RF放大效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)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并以預(yù)定距離與陰極隔開(kāi)；陽(yáng)極，以與陰極相對(duì)的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發(fā)射源，位于陰極上，該電子發(fā)射源借助電場(chǎng)發(fā)射電子；以及反射電極，形成在襯底之上并與襯底平行，其中RF信號(hào)輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，并且RF輸出端和DC陽(yáng)極偏壓電連接到陽(yáng)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(yáng)極施加負(fù)電壓到反射電極，使得從電子發(fā)射源輸出的電子朝向陽(yáng)極反射陽(yáng)極、柵極和陰極被設(shè)置在與襯底相同的表面上。
電子發(fā)射源為CNT。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種RF放大器，包括襯底上的多個(gè)RF放大單元，所述多個(gè)RF放大單元中的每個(gè)包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊并以預(yù)定距離與陰極隔開(kāi)；陽(yáng)極，以與陰極相對(duì)的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發(fā)射源，位于陰極上，該電子發(fā)射源借助電場(chǎng)發(fā)射電子；以及反射電極，形成在襯底之上并與襯底平行，其中RF輸入信號(hào)和DC陰極偏壓電連接到陰極，并且RF輸出信號(hào)和DC陽(yáng)極偏壓電連接到陽(yáng)極。
所述RF放大單元彼此串聯(lián)連接。
電容器被設(shè)置在RF放大單元之間。


通過(guò)參考附圖對(duì)示范實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于場(chǎng)致發(fā)射RF放大器的RF放大單元的示意結(jié)構(gòu)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(jù)本發(fā)明實(shí)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(jù)本發(fā)明另一實(shí)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(shí)施例方式
下面，將參考附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射RF放大器的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。這里，為清楚起見(jiàn)而放大了附圖中所示的層厚或者面積。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于場(chǎng)致發(fā)射RF放大器的RF放大單元的示意結(jié)構(gòu)的剖面圖。
參考圖1，陽(yáng)極140、柵極130、以及陰極120以預(yù)定的距離隔開(kāi)并定位在RF放大器的襯底110上。電子發(fā)射源，例如CNT發(fā)射器121形成在陰極120上。反射電極150以預(yù)定的距離與襯底110隔開(kāi)并定位。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，可以采用用于傳統(tǒng)平板顯示器的熱除氣方法。同樣，可能通過(guò)將用于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制成。
陽(yáng)極140、柵極130和陰極120可以采用導(dǎo)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(gè)陽(yáng)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(shè)計(jì)規(guī)則有利于RF微波傳輸帶電路的阻抗匹配。
CNT發(fā)射器121可以通過(guò)絲網(wǎng)印刷和低溫干燥處理而形成?？商鎿Q地，也可以在陰極120上形成CNT催化劑金屬，然后流通含碳的氣體，并在該CNT催化劑金屬上逐漸形成CNT。
圖2是示出圖1的場(chǎng)致發(fā)射RF放大器的操作的仿真圖。參考圖1和2，陽(yáng)極140、柵極130、和陰極120設(shè)置在同一平面上并設(shè)計(jì)為每個(gè)具有900μm、500μm、和500μm的寬度。陽(yáng)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(shè)計(jì)為800μm和50μm。電極的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1mm。反射電極150與下部電極120、130、和140隔開(kāi)1.1mm。
此外，將1.5kV、-130V和-140V的DC電壓分別施加到陽(yáng)極140、陰極120和反射電極150上，柵極130接地。優(yōu)選的是，將比施加到陰極120的負(fù)電壓大的負(fù)電壓施加到反射電極150。該具有負(fù)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(xiàn)朝向柵極130并改變其方向，從而與具有強(qiáng)電壓的陽(yáng)極140發(fā)生碰撞。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RF放大器的示意性平面圖。本實(shí)施例中基本相同的組件在全部附圖中被標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，并且省去其詳細(xì)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(duì)的方式從電極120、130和130向上隔開(kāi)的反射電極150，以及形成在反射電極150和襯底110的邊緣之間的用于密封的壁體(圖1的160)組成。RF放大單元的內(nèi)部空間維持在真空狀態(tài)。
通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)被輸入到陰極120的一端。用于過(guò)濾DC偏壓的電容器C1設(shè)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(guò)電感器L1施加到每個(gè)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(yáng)極電壓+Va通過(guò)電感器L3施加到陽(yáng)極140。電感器L3防止交流分量輸入到陽(yáng)極140。
由陽(yáng)極140放大的RF信號(hào)通過(guò)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，用于防止從RF輸入端210傳輸來(lái)的RF信號(hào)漏出。電容器C4、C5和對(duì)應(yīng)于該電容器C4、C5的電感器L1、L3形成低頻濾波器。
下面，對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的RF放大器的操作進(jìn)行描述。
首先，通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)被傳輸?shù)疥帢O120并在陰極120與DC偏置陰極電壓-Vc混合。接著，通過(guò)柵極130從陰極120上的CNT發(fā)射器121發(fā)射電子，該發(fā)射的電子朝向柵極130形成曲線(xiàn)。此時(shí)，通過(guò)施加到反射電極150的負(fù)電壓而從反射電極150反射電子，并前進(jìn)到陽(yáng)極140。此時(shí)，陽(yáng)極140中RF信號(hào)的電流變化寬度根據(jù)陰極電壓-Vc和柵極電壓之間的電壓差而增加。就是說(shuō)，如果柵極130接地并且將-120V到-140V的DC電壓施加到陰極120，那么陽(yáng)極140中RF信號(hào)的電流變化寬度ΔI將隨著陽(yáng)極140上碰撞的電子而增加，使得RF信號(hào)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(yáng)極140的阻抗的乘積。就是說(shuō)，由于通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)的電壓變化寬度在陽(yáng)極140處增加，所以RF信號(hào)被放大。
電容器C1去除通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)中的DC分量。
其間，電感器L1和L3使得從陰極偏壓-Vc和陽(yáng)極偏壓+Va傳輸?shù)腄C偏壓通過(guò)，并隔斷交流分量。
電容器C4和C5防止陰極120和陽(yáng)極140的RF信號(hào)通過(guò)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(biāo)記Z1和Z2分別表示由在連接到對(duì)應(yīng)電極的DC偏壓的傳輸路徑中設(shè)置的電容器和電感器的容抗和感抗所創(chuàng)建的阻抗。阻抗可被創(chuàng)建為接近由于電容減小的RF電路的阻抗匹配所需的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的RF放大器的示意性平面圖。本實(shí)施例中基本相同的元件在全部附圖中被標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，并且省去其詳細(xì)描述。
參考圖5，RF放大器包括兩個(gè)RF放大單元(第一RF放大單元和第二RF放大單元)。每個(gè)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(duì)的方式從電極120、130和140向上隔開(kāi)的反射電極150，以及形成在反射電極150和襯底110的邊緣之間的用于密封的壁體(圖1的160)組成。RF放大單元的內(nèi)部空間維持在真空狀態(tài)。
電容器C2設(shè)置在RF放大單元之間用于濾去從第一RF放大單元輸出的RF功率的DC偏壓并且僅使RF信號(hào)通過(guò)。
通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)或者來(lái)自第一RF放大單元的放大RF信號(hào)被輸入到每個(gè)陰極120的一端。用于過(guò)濾DC偏壓的電容器C1和C2設(shè)置在RF信號(hào)和陰極120之間。同樣，外部DC偏置陰極電壓-Vc通過(guò)電感器L1和L2施加到每個(gè)陰極120。電感器L1和L2濾去輸入到陰極120的交流分量。
每個(gè)柵極130接地。
DC偏置陽(yáng)極電壓Va通過(guò)電感器L3和L4被施加到每個(gè)陽(yáng)極140。電感器L3和L4防止交流分量輸入到陽(yáng)極140。
通過(guò)第二RF放大單元并在陽(yáng)極140放大的RF信號(hào)通過(guò)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，用于防止通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)或者輸入到第二RF放大單元的RF信號(hào)漏出。電容器C4、C5和對(duì)應(yīng)電感器L1、L2、L3和L4形成低頻濾波器。
下面，對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的RF放大器的操作進(jìn)行描述。
首先，從RF輸入端210接收的RF信號(hào)被傳輸?shù)疥帢O120并在陰極120與DC偏置陰極電壓-Vc混合。接著，通過(guò)柵極130從陰極120上的CNT發(fā)射器121發(fā)射電子，該發(fā)射的電子向柵極130形成曲線(xiàn)。這是，通過(guò)施加到反射電極150的負(fù)電壓從反射電極150反射電子，并前進(jìn)到陽(yáng)極140。此時(shí)，陽(yáng)極140中RF信號(hào)的電流變化寬度根據(jù)陰極電壓-Vc和柵極電壓之間的電壓差而增加。也就是說(shuō)，如果柵極130接地并且將-120到-140V的DC電壓施加到陰極120，那么陽(yáng)極140中RF信號(hào)的電流變化寬度ΔI將隨著陽(yáng)極140上的電子碰撞而增加，使得RF信號(hào)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(yáng)極140的阻抗的乘積。就是說(shuō)，由于通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)的電壓變化寬度在陽(yáng)極140處增加，所以RF信號(hào)被放大。
接著，在陽(yáng)極140的放大RF信號(hào)通過(guò)電容器C2使得DC偏壓被阻斷。從而，第一放大RF信號(hào)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(hào)以上述方式被第二RF放大單元放大并被輸入到電容器C3。因此，在通過(guò)電容器C3之后去除了DC電壓的RF信號(hào)被輸出到RF輸出端220。
電容器C1去除通過(guò)RF輸入端210接收的RF信號(hào)中的DC分量。
其間，電感器L1到L4使得陰極偏壓-Vc或陽(yáng)極偏壓+Va的DC偏壓通過(guò)，并隔斷交流分量。
電容器C4和C5防止陰極120和陽(yáng)極140上的RF信號(hào)通過(guò)電感器漏出。
圖6是圖5的等效電路圖。
參考圖6，附圖標(biāo)記Z1到Z4分別表示由在連接到對(duì)應(yīng)電極的DC偏壓的傳輸路徑中設(shè)置的電容器和電感器的容抗和感抗所形成的阻抗。可使該阻抗接近由于電容減小的RF電路的阻抗匹配所需的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。
在上述實(shí)施例中，對(duì)包括兩個(gè)RF放大單元的RF放大器進(jìn)行了描述，但是，本發(fā)明并不限于此。就是說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)包括三個(gè)或更多RF放大單元的RF放大器。
如上所述，由于根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射RF放大器采用具有真空狀態(tài)的平面型場(chǎng)致發(fā)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并改善放大效應(yīng)。同樣，通過(guò)在平面上安排形成場(chǎng)致發(fā)射器件的電極，有可能減小柵極和陰極之間的容抗并從而容易產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)阻抗。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例而示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在其中做出形式上和細(xì)節(jié)上的各種變化，而不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)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并以預(yù)定距離與陰極隔開(kāi)；陽(yáng)極，以與陰極相對(duì)的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發(fā)射源，位于陰極上，該電子發(fā)射源借助電場(chǎng)發(fā)射電子；以及反射電極，形成在襯底之上并與襯底平行，其中RF信號(hào)輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，并且RF輸出端和DC陽(yáng)極偏壓電連接到陽(yáng)極。
2.根據(jù)權(quán)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(yáng)極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的RF放大器，其中施加負(fù)電壓到反射電極，使得從電子發(fā)射源輸出的電子朝向陽(yáng)極反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的RF放大器，其中陽(yáng)極、柵極和陰極被設(shè)置在與襯底相同的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的RF放大器，其中該電子發(fā)射源為CNT。
6.一種RF放大器，包括襯底上的多個(gè)RF放大單元，所述多個(gè)RF放大單元中的每個(gè)包括陰極，形成在襯底上；柵極，形成在襯底上的陰極旁邊并以預(yù)定距離與陰極隔開(kāi)；陽(yáng)極，以與陰極相對(duì)的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發(fā)射源，位于陰極上，該電子發(fā)射源借助電場(chǎng)發(fā)射電子；以及反射電極，形成在襯底之上并與襯底平行，其中RF輸入信號(hào)和DC陰極偏壓電連接到陰極，并且RF輸出信號(hào)和DC陽(yáng)極偏壓電連接到陽(yáng)極。
7.根據(jù)權(quán)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(yáng)極。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的RF放大器，其中施加負(fù)電壓到反射電極，使得從電子發(fā)射源輸出的電子朝向?qū)?yīng)陽(yáng)極反射。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的RF放大器，其中RF放大單元的陽(yáng)極、柵極和陰極被設(shè)置在與襯底相同的表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的RF放大器，其中該電子發(fā)射源為CNT。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的RF放大器，其中所述RF放大單元彼此串聯(lián)連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的RF放大器，其中在RF放大單元之間設(shè)置有電容器，并且該電容器的一端連接到前一RF放大單元的陽(yáng)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(chǎng)致發(fā)射RF放大器。該場(chǎng)致發(fā)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并以預(yù)定距離與陰極隔開(kāi)；陽(yáng)極，以與陰極相對(duì)的方向形成在襯底上的柵極旁邊；電子發(fā)射源，位于陰極上，該電子發(fā)射源借助電場(chǎng)發(fā)射電子；以及反射電極，形成在襯底之上并與襯底平行。RF信號(hào)輸入端和DC陰極偏壓電連接到陰極，并且RF輸出端和DC陽(yáng)極偏壓電連接到陽(yáng)極。
文檔編號(hào)H03F1/02GK1674433SQ20051007163
公開(kāi)日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月14日
發(fā)明者安德烈·朱爾卡尼夫, 崔濬熙 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社