电子发射电极及其制造方法与具有该电极的发光器件 本发明涉及到在强电场下发射电子的电极、其制造方法及采用此种电极的电子发射器件。
在强电场下发射电子的电极已为人们所知。这些通常以“电子发射电极”而为人所知的电极，其形状有为针或板，而不像热阴极那样呈螺线形灯丝状而且当电流通过使之受热时发射电子。电子发射电极在其上加有约107V/cm或更高的电压时，借助于隧道效应而从其表面发射电子。在复印设备中、在用作非自发射显示(如液晶显示)背景光的冷阴极荧光灯中、在单色或彩色显示中、在等离子显示中、在VFD(真空荧光显示)中以及在相似的设备中，它们被用作阴极。
配备有电子发射电极的冷阴极荧光灯包含一个其内表面涂覆有荧光层并充有混合稀有气体和汞蒸气的灯管。从表面发射出来的电子撞击管中的汞原子，以致产生紫外线。紫外线则激发荧光层。受激的荧光层于是发射可见光。
电子发射电极由诸如镍(Ni)、钼(Mo)之类的功函数小地金属制成。通常，带有这类金属制成的电子发射电极的冷阴极荧光灯的直径越小，灯所产生的光的亮度(cd/m2)就越大。冷阴极荧光灯可以很细并可发射很强的光。因此适合于用作液晶显示中的背景光。
但为了使灯能发射更高亮度的光，必须提高加于冷阴极荧光灯上的电压。因而灯消耗更多的功率。若此灯是用在电池供电的手提显示器中，则显示器无法长时间地工作。带有电子发射电极的冷阴极荧光灯在另一方面也存在缺点。当进行放电时，电极材料被逐渐溅射，不可避免地要沾污管子的内表面而且会缩短电子发射电极的寿命。
已提出了各种各样的电子发射电极材料。但对电子发射电极材料有各种各样的限制。例如，在利用隧道效应的冷阴极中，不能使用严重妨碍隧道效应的非绝缘材料。
本发明的第一目的是提供一种可在低的放电电压下工作且可防止其中电子发射膜溅射的电子发射电极。
为了达到第一目的，本发明的电子发射电极包含一个由导电材料或半导体材料构成的基板，以及一个制作在基板上的、含R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.1-1.0)的、用来执行电子场发射或电子冷发射的电子发射膜。此处，“原子团”意指不同类型的稀土元素的团。由于有3含R2O3-Z的电子发射膜，故电极可在低电压下发射电子。在发射电子时，此膜几乎不被溅射。因而电子发射电极具有长寿命。
本发明的第二目的是提供一种只要求低的放电电压且可防止其中电子发射膜溅射的电子发射电极的制造方法。
为了达到第二目的，根据本发明的方法包括下列步骤：在基板上制成一个含有稀土元素的薄膜；在氧气氛或按体积含有1％或更小浓度的氧的气体气氛中对此薄膜进行加热，从而形成稀土氧化物膜。
在稀土氧化物中，有一些几乎不能被还原。要控制这类氧化物的晶系是困难的。尽管如此，倘若借助于在按体积含有1％或更小浓度的氧或氧化物的气体气氛中对稀土元素膜进行加热而已制作了薄膜，则稀土氧化物膜的晶系仍能被控制。因此，借助于将稀土氧化物的晶系改变成呈现良好放电效率的晶系，有可能提供在低的放电电压下发射电子并具有低的溅射性质的稀土氧化膜。
本发明的第三目的是提供一种工作于低放电电压、可长时间连续发射光并可发射高亮度光的光反射器件。
为了达到第三目的，根据本发明的光发射器件包含：一个荧光管，此管包括一个内表面和涂覆在管内表面上的一个荧光层，用来发射预定波长范围的光，此管允许荧光层发射的光通过；一对彼此相对地提供在荧光管中的电子发射电极，各含有一个由导电材料或半导体材料制成的基板和一个制作在基板上且含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.1-1.0)用来执行电子场发射的电子发射膜；以及一个充满荧光管的稀有气体和汞蒸气。
也为了实现第三目的，根据本发明的另一种光发射器件包含：一个第一衬底；一个平行于第一衬底且与第一衬底的第一衬底表面上的带有含R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.1-1.0)的电子发射膜的阴极；一个制作在正对着第一衬底的第二衬底表面上的、用来在阴极和阳极之间加有预定电压时产生等离子体的阳极；以及一个充满由阳极和第一与第二衬底所确定的空间的稀有气体。
也为了达到第三目的，根据本发明的又一光发射器件包含：一个第一衬底；一个平行于第一衬底且与第一衬底分隔开的第二衬底；制作在正对着第二衬底的第一衬底表面上的多个冷阴极，每个冷阴极有一个含R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.1-1.0)的电子发射膜；至少一个制作在正对着第一衬底的第二衬底表面上的阳极；以及一个制作在第一和第二衬底中的一个上的、用来在接收到来自冷阴极的电子时发射预定波长范围的可见光的荧光层。
这些光发射器件可工作于低放电电压，因而只消耗很小的功率。由于阴极是由具有低溅射性质的材料制成的，故器件可长时间地连续发光并可发射高亮度的光。
从结合附图所进行的下列详细描述，本发明将变得更为明显，其中：
图1剖面图示出了根据本发明一个实施例的一种电子发射电极；
图2剖面图示出了根据本发明另一实施例的一种电子发射电极；
图3示出了相对于电极深度方向探测到的电极元素的密度(intensity)；
图4是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系为体心立方晶格并已在大气中被氧化；
图5是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系是体心立方晶格并已在氢气氛中被氧化；
图6示出了本发明电子发射电极的光学特性，此电极已在氢气氛中被氧化；
图7示出了本发明电子发射电极的光学特性，此电极已在大气中被氧化；
图8示出了在氢气氛中已被氧化的电子发射电极的吸收边；
图9示出了在大气中已被氧化的电子发射电极的吸收边；
图10是根据本发明的冷阴极荧光灯的示意剖面图；
图11是组合在冷阴极荧光灯中的电子发射电极的示意平面图；
图12示出了根据本发明的电子发射电极和常规Ni型电极的放电特性；
图13剖面图说明了根据本发明的电子发射电极的制造方法的一个步骤；
图14剖面图说明了图13步骤之后的步骤；
图15是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系为体心立方晶格；
图16是图15所示X射线衍射分析图的一个放大部分；
图17是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系为简单立方晶格；
图18是图17所示X射线衍射分析图的一个放大部分；
图19是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系介于体心立方晶格和简单立方晶格之间；
图20是图19所示X射线衍射分析图的一个放大部分；
图21是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系为面心立方晶格；
图22是图21所示X射线衍射分析图的一个放大部分；
图23是根据本发明的电子发射电极的X射线衍射分析图，其晶系介于体心立方晶格和简单立方晶格之间；
图24示出了加热钇膜和钇化物所用时间与这一加热所形成的氧化钇膜的厚度之间的关系；
图25是根据本发明的另一冷阴极荧光灯的透视图；
图26是根据本发明的又一冷阴极荧光灯；
图27是根据本发明的冷阴极荧光灯的透视图；
图28是根据本发明的另一冷阴极荧光灯的透视图；
图29是组合有根据本发明的冷阴极荧光灯的一个液晶显示板的剖面图；
图30是组合有根据本发明的电子发射电极的一个PDP的剖面图；以及
图31是组合有根据本发明的电子发射电极的一个FED的剖面图。
以下参照附图对本发明的实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明的执行电子场发射的一个电子发射电极1。如图1所示，电极1包含一个基板2、一个制作在基板2上的稀土膜3以及一个覆盖稀土膜3和基板2上表面暴露部分的电子发射膜4。基板2(商标名为INCONEL 601)含有Ni和Cr。
基板2或者是导电的，要么是半导体的。它由具有小功函数的材料制成的单一元件或由不同材料制成的二个或更多个元件组成。为了具有低的溅射性质，基板2必须由在约为10-6乇低压下呈现液固转换点的一种或多种材料制成。基板2可由Ni和Cr之外的诸如钼(Mo)、铝(Al)之类的金属制成。
稀土膜3由基本上一种稀土元素制成。电子发射膜4由氧化物R2O3-z制成，其中R是一种稀土元素原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0。
图2示出了根据本发明的一个电子发射电极11，其结构不同于图1所示的电子发射电极。电极11包含一个基板12和一个制作在基板12上的电子发射膜13。基板12含有例如Ni。电子发射膜13由例如氧化钇制成。
图3示出了图2所示电极11的溅射时间与元件密度之间的关系，这是用俄歇电子谱方法相对于电极的深度方向在从膜13表面溅射元素时探测到的。溅射时间和各元素的密度分别给于图3的横轴和纵轴。由图3显见，基板12含有Ni而制作在基板12上的电子发射膜13由氧化钇制成。
图1和图2所示的由氧化钇制成的电子发射膜13具有简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格、介于简单立方晶格与面心立方晶格之间的晶格、或介于简单立方晶格与体心立方晶格之间的晶格这样的晶系。
图4是关于由在大气中对钇进行氧化而制得的氧化钇晶格的X射线衍射分析图。此氧化钇的晶格常数为10.60。其晶系被证实为体心立方晶格，为方便起见，以下称之为“A型晶格”。图5是关于由在氢气氛中对钇进行氧化而制得的氧化钇晶格的X射线衍射分析图。此氧化钇的晶格常数为14.85。此氧化物的晶系被证实为简单立方晶格，为方便起见，以下称之为“B型晶格”。本发明可采用晶系介于体心立方晶格和简单立方晶格之间的材料。这种中间晶系以下称为“AB型晶格”。
对于具有由A型晶格氧化钇制成的电子发射膜的电子发射电极、具有由B型晶格氧化钇制成的电子发射膜的电子发射电极以及具有由AB型氧化钇制成的电子发射膜的电子发射电极，沿它们的厚度测试了电阻。它们呈现数十欧姆的低电阻，证明它们是导电的。换言之，此种膜具有电子发射性质。
用电子束气相淀积方法在石英衬底上制作了厚度约为3000A的钇膜，并在预定浓度的氢气氛中于大约600℃对此钇膜加热15分钟，从而提供了第一氧化钇膜。再用电子束沉积方法在石英衬底上制作厚度约为3000的钇膜，并在大气中于大约700℃对此钇膜加热30分钟，从而提供第二氧化钇膜。对此第一和第二钇膜进行光学特性测试。
第一氧化钇膜具有B型晶格且呈现图6的透射特性。在图6中，透射率和反射率被绘于纵坐标，被加于含有石英衬底和第一氧化钇膜的电子发射电极的光的波长。透射率是穿过石英衬底和氧化钇膜二者的光量对加于电子发射电极的光量(100％)的比率。反射率是石英衬底和氧化钇膜反射的光量对具有光滑表面的铝(Al)板反射的光量的比率。
第二氧化钇膜具有A型晶格且呈现图7的透射特性。如图7所见，带有第二氧化钇(A型晶格)膜的电子发射电极，对波长为500nm-2500nm的光呈现50％以上的透射率。另一方面，带有第二氧化钇(B型晶格)的电子发射电极，对波长为500nm-2500nm的光呈现低于20％的透射率。
以下，晶系为A型的第一氧化钇膜将称为“A型氧化钇膜”，而晶系为B型的第二氧化钇膜称为“B型氧化钇膜”。
如图7所示，带有A型氧化钇膜的电子发射电极对波长为500nm-2500nm的光呈现低于40％的反射率。相反，带有B型氧化钇膜的电子发射电极对波长为500nm-2500nm的光呈现百分之几到75％的反射率，亦即最大反射率超过60％。
从图6和7显见，晶系不同的氧化钇其光学特性大相径庭。
衬底的光学特性之一是吸收边。对A型和B型氧化钇的吸收边进行了检测。按一般定义，吸收边是连续吸收谱中对波长更长的光束的吸收剧烈下降的地方。但在此处，它被定义为透射率下降到无法准确测量时的那个点。
图8示出了在预定浓度的氢气氛中对钇膜进行氧化而制备的B型氧化钇膜的吸收边。图9示出了在大气中对钇膜进行氧化而制备的A型氧化钇膜的吸收边。B型氧化钇膜的吸收边在略小于4.0eV处，而A型氧化钇的吸收边在约5.9eV处。显然，比起A型氧化钇来，B型氧化钇处于低能侧。于是显然，氧化钇的各种光学特性依赖于氧化物的晶系。
而且，制作了冷阴极放电灯以测定其放电特性。每个这种灯含一个圆筒形玻璃管和一对电子发射电极。每个电极带有一个可执行电子冷发射的氧化钇膜。管子的外径为2.6mm，长度为63.5mm，充以稀有气体和汞蒸气。电子发射电极被置于管中，彼此正对着且分隔45mm的距离。
这些冷阴极放电灯由三组组成。第一组灯的电极各带有由A型氧化钇制成的电子发射膜。第二组的电极各带有由B型氧化钇组成的电子发射膜。第三组的电极各带有由镍(Ni)组成的电极(这是在本发明范围之外的)。对所有各组冷阴极放电灯的放电电压进行了测试。带有由A型氧化钇制成的膜的第一组灯工作于较带有由镍制成的电子发射膜的第三组灯的工作电压大约低30V的电压。带有由B型氧化钇制成的膜的第二组灯工作于较第三组灯的工作电压大约低50V的电压。
而且，制作了图10所示类型的冷阴极荧光灯21。如从图10可见，在结构上，除了在其玻璃管23的内表面上涂覆的荧光层外，灯21与上述的冷阴极放电灯完全相同。玻璃管23充满了稀有气体和汞蒸气。一对电子发射电极22被置于管23中，彼此正对着且分别连接于二个引线24。
如图11所示，电子发射电极22在中部被弯成V字形。每个电极22由一个Ni-Cr合金(INCONEL 601)基板25、一个制作在基板25上的钇(Y)膜26以及一个制作在钇膜26上的由B型氧化钇制成的电子发射膜27组成。电极22定位成其电子发射膜27彼此正对着。由于膜27由B型氧化钇制成，此灯21可工作于比电子发射膜为A型氧化钇的冷阴极荧光灯更低的放电电压。
对冷阴极荧光灯21的光发射特性进行了测试。在每个灯21中，电极22发射电子。此电子撞击汞原子，产生紫外线。此紫外线激发涂覆在管23内表面上的荧光层。受激的荧光层于是发射预定波长范围的可见光。测试结果同包含各带有一个镍电子发射膜的电子发射电极的常规冷阴极荧光灯的发射特性一起示于下面的表1中。
表1 电极 灯电流 IL(mA) 灯电压 VL(V) 亮度 (cd/cm2) 光通量 F(1m) 发光效率 (1m(V-A)) B型 5.0 156 27100 25.4 32.6 Ni型 5.0 204 24400 24.1 23.6
从表1可知，配置有各带B型氧化钇膜的电极(以下称为B型电极)的灯21，尽管其灯电压比常规灯低约23.5％，它仍然在亮度和发光效率方面优越于带有Ni型电极的常规灯。此外，灯21长时间工作之后，它们像各带有A型氧化钇膜的电极(以下称为“A型电极”)的冷阴极荧光灯那样，呈现比带Ni型电极的常规灯低得多的溅射性质。
再者，制作了冷阴极放电灯，它们各包含一个内径为12mm的圆筒形玻璃管、一对盘状的直径为10mm的位于管中且相隔220mm的电子发射B型电极。对这些灯进行了测试以确定其放电特性随时间的变化。测试结果示于图12。从图12可见，带有B型电极的冷阴极放电灯达到了稳定的起始放电。直至它们连续工作200小时，仍无明显的电压降低。发现它们的放电电压比带有Ni型电极的常规冷阴极放电灯的放电电压小约15-20％。而且，它们呈现比带有Ni型电极的常规灯更低的溅射性质。各包含内径为15mm的管和电子发射B型电极的冷阴极放电灯，其放电寿命被证明超过3000小时。
对45000厚度范围内的电子发射膜，其最大电阻为1000Ω。
发现晶系为面心立方晶格的氧化钇膜以及晶系介于简单立方晶格与面心立方晶格之间的氧化钇膜可工作于低的放电电压。晶系在体心立方晶格与简单立方晶格之间的AB型氧化钇膜被发现也可工作于低的放电电压。
在本发明中，可用任何一种其它的稀土凶素取代钇。更具体地说，钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)都可用来取代钇(Y)。
根据本发明的具有上述结构的电子发射电极具有在低的放电电压下良好的电子发射性质。此外，它们还表现低的溅射性质，因此能够长时间地连续发射电子。
因此，本发明的电子发射电极可用在作为非自发射显示(例如液晶显示)中白色发射背景光的冷阴极荧光灯中。它们也可用作单色或彩色显示中、等离子显示中以及用作VFD(真空荧光显示)的FED(场发射显示)中的阴极。
下面解释图1所示执行电子场发射的电子发射电极的第一制造方法。
第一方法包含下列步骤：清洗基板；在基板上制作一个金属膜；在氢气氛中对金属膜进行氧化以制作电子发射膜；以及对此电子发射膜进行脱氢。这些步骤按所述顺序进行，从而提供一个带有预定晶格的电子发射膜的电子发射电极。基板由导电材料或半导体材料制成。制作在基板上的电子发射膜含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0)且能够执行冷电子的场发射。在此例中，稀土凶素是钇(Y)。
现参照图13和14来详细解释第一方法。
首先，清洗由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板33。用气相淀积(由电阻加热或采用电子束来达到)或溅射方法在基板33上制作厚度范围为1000A-30000A的钇膜34。
然后，将得到的由基板33和钇膜34组成的结构如图13所示被置于反应炉31中的台面32上。如图13所示，炉子31有一个入气口38和一个出气口39。通过入气口38将氢引入炉子31，使炉子31保持充满氢气。按体积的氧和/或含氧物质的浓度为1％或更小是可取的，最好是1000ppm或更小，100ppm或更小就更好。含氧物质是以气体形式存在的水。用分别配置在气口38和39的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并借助于调节被引入炉子31的氢的浓度，可控制此浓度。
然后，以100℃/15min-100℃/5min范围的速率将氢气氛从室温(约25℃)加热到约600℃。再在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而使钇膜34的暴露表面区氧化。如图14所示，就形成了一个氧化钇膜36，将钇膜体35覆盖起来。氧化温度范围可为300℃-1000℃，最好是500℃-700℃。升温速率范围可为100℃/20min-100℃/5min。
然后对氧化钇膜36进行脱氢。更具体地说，在350℃或更高的温度下，最好在450℃-800℃的温度下，在减压到1×10-3乇或更低的最好为1×10-6乇或更低的气氛中，对膜36加热15分钟，从而从氧化钇膜36中清除掉氢。
用清洗基板、制作钇膜且氧化此膜表面区但不对得到的氧化钇膜进行脱氢的方法而制得冷阴极荧光灯，在连续放电100小时之后只发射蓝白色的光。这是氧化钇膜中所含的氢造成的。这就是氢气氛中制作的氧化钇膜应进行脱氢的道理。
在冷阴极荧光灯的制造过程中，在各带有氧化钇膜的电极封入管中之前，水之类的杂质通常从玻璃管被清除掉。杂质的清除借助于在减压气氛中于大约400℃下对玻璃管进行加热来实现。加热工艺确实可用来从氧化钇膜清除一定数量的氢。但由于温度较低(约400℃)，致使此荧光灯不如电极含有脱氢的氧化钇膜的灯那样容易地达到起始放电。因此，氧化钇膜36应该在减压气氛中于450℃或更高的温度下进行脱氢。
当厚度约为3000的钇膜在氧和/或含氧物质的浓度超过约100ppm的氢气氛中被加热并氧化时，就形成一个与A型晶格(体心立方晶格)一样的厚度约为4500的氧化钇膜。此氧化钇膜呈现图15所示的X射线衍射分析图象。此氧化膜的晶格常数为10.60A，且如图16所示在约29°处出现一个X射线强度峰值。
当厚度约为3000的钇膜在氧和/或含氧物质的浓度约为10ppm的氢气氛中被加热并氧化时，就形成一个与B型晶格(简单立方晶格)一样的厚度约为4500的氧化钇膜。此氧化钇膜呈现图17所示的X射线衍射分析图象。其晶格常数为14.85A，并在约29°处有一高的X射线强度峰而在约29.6°处有一低的X射线强度峰，如图18所示。
当厚度约为3000的钇膜在氧和/或含氧物质的浓度约为100ppm的氢气氛中被加热并氧化时，就形成一个与AB型晶格(即晶系介于A型晶格与B型晶格之间)一样的厚度约为4500的氧化钇膜。(100ppm左右的浓度高于适合形成B型氧化钇膜的浓度，而低于适合形成A型氧化钇的浓度。)这样形成的氧化钇膜呈现图19所示的X射线衍射分析图象。如图20所示，它在约29°处有一个高X射线强度峰，而在约29.6°处有一个低的X射线强度峰。
当厚度约为3000的钇膜在氧和/或含氧物质的浓度约为1ppm的氢气氛中被加热并氧化时，就形成一个与面心立方晶格(以下称为“C型晶格”)一样的厚度约为4500的氧化钇膜。此氧化膜呈现图21所示的X射线衍射分析图象。其晶格常数为5.21A，并如图22所示，在约29.6°处有一个大的X射线强度峰。
当厚度约为3000的钇膜在氧和/或含氧物质的浓度高于适合形成C型氧化钇膜的浓度而低于适合形成B型氧化钇膜的浓度的氢气氛中被加热并氧化时，就形成一个与晶系处于B型晶格和C型晶格之间(以下称之为“BC型晶格”)一样的厚度约为4500的氧化钇膜。此氧化钇膜呈现图23所示的X射线衍射分析图象。如图23所示，它在约29°处有低的X射线强度峰，而在约29.6°处有一个高的X射线峰。
如上所知，借助于调节氢气氛中的氧浓度，可改变氧化钇膜的晶系。
制造了三类各带有一对由第一方法制作的电子发射电极的冷阴极荧光灯。第一类包含各带有一个厚度约为4500的B型氧化钇膜的电极；第二类包含各带有一个BC型氧化钇膜的电极；第三类包含各带有一个C型氧化钇膜的电极。对这些灯的发射特性进行了测试。结果按表2的说明提供于下。表2也示出了组合有Ni型电子发射电极的常规冷阴极荧光灯的发射特性，用来与根据本发明的三类灯的发射特性进行比较。所有这些荧光灯(包括常规灯)都有图10所示的相同结构，各包含一个玻璃管21和一对位于管21中的电子发射电极22。管21充满了稀的气体和汞蒸气，且其内表面涂覆有白色发射荧光材料。玻璃管21的长度为63.5mm，外径为2.6mm，电极22彼此正对着，分隔距离为45mm。
表2电极 灯电流 IL(mA) 灯电压 VL(V) 亮度(cd/cm2) 光通量 F(1m) 发光效率 (1m/(V·A)) 导电 率 相对于Ni型的 灯电压改进(％)B型 5.0 16426000 to29000 25 to 26 30.5 to 31.7 ○ +27BC型 5.0 16426000 to29000 25 to 26 30.5 to 31.7 ○ +27C型 5.0 16426000 to29000 25 to 26 30.5 to 31.7 ○ +27Ni型 5.0 22524000 to25000 23.5 to 24.5 20.9 to 21.8 ○ -
从表2可见，尽管放电电压较低，带有B型、BC型及C型电极的冷阴极荧光灯，在亮度和发光效率方面仍优于常规灯。虽然这些氧化钇膜的厚度超过数百，这些电极仍呈现很高的导电率。带有B型、BC型及C型电极的灯比之带有Ni型电子发射电极的常规灯，其溅射性质低得多。它们比常规冷阴极荧光灯的连续发光时间确实更长。
示于表1中的带有B型电极的灯的数值不同于表2所说明的。对带有Ni型电极的常规灯也是这样。这是由于获取表1结果的分析器是一个，而用来获取表2结果的分析器又是另一个。
尽管带有A型电极的灯和带有AB型电极的灯的放电电压比常规灯的低，它们仍获得了比带有Ni型电极的常规灯更大的亮度和更高的发光效率。虽然如此，但发现它们的亮度和发光效率比带有C型电极的灯的低。
参照图13和14来解释执行电子冷发射的图1所示类型电子发射电极的第二制造方法。
第二制造方法包括下列步骤：清洗基板；在基板上制作一个金属膜；在稀有气体气氛中对金属膜进行氧化以形成电子发射膜。此三步骤按所述次序进行，从而提供一个带有预定晶格的电子发射膜的电子发射电极。基板由导电材料或半导体材料制成。电子发射膜含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0)且能发射冷电子。在此例中，稀土元素也是钇(Y)。
首先，清洗由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板33。用气相淀积(由电阻加热或用电子束得到)或溅射方法，在基板33上制作厚度范围为1000-30000的钇膜34。
然后，得到的由基板33和钇膜34组成的结构如图13所示被置于反应炉31中的平台32上。通过入气口38将氩引入炉子31，使炉子31保持充满氩。氧和/或含氧物质按体积的浓度为1％或更小是可取的，最好是1000ppm或更小，100ppm或更小就更好。含氧物质是以气相形式存在的水。用分别配置于气口38和39中的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并调节引入炉子31的氩的浓度，可控制这一浓度。
然后，以100℃/15min-100℃/5min的速率将氩气氛从室温加热到约600℃。在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而使钇膜34的暴露表面区域氧化。如图14所示，从而形成了一个氧化钇膜36，覆盖着钇膜体35。升温速率范围可为100℃/20min-100℃/5min。
如同在第一方法中那样，借助于调节氧和/或含氧物质的浓度，可改变氧化钇膜的晶系。第二方法在实验基础上被执行。发现用第二方法形成了A型晶格的、AB型晶格的、B型晶格的、BC型晶格的以及C型晶格的氧化钇膜。
在第二方法中，钇膜在氩气氛中被氧化。这样它就不同于膜在氢气氛中氧化的第一方法。在氩气氛中形成的氧化钇膜几乎不含有氢。氧化钇膜根本不需要脱氢。因而第二方法比第一方法少一个步骤。尽管如此，若钇膜中含有即使少量的氢，则如第一方法那样对膜进行脱氢是可取的。
下面参照图13和14来解释执行冷电子场发射的电子发射电极的第三制造方法。
在本发明中，可用诸如氦、氖、氪或氙之类的任一其它稀有气体来取代氩气。
第三方法包含下列步骤：清洗基板；在基板上制作一个金属氧化物膜；对金属膜进行加热以形成所需的晶系；以及对电子发射膜进行脱氢。这些步骤按所述顺序进行，从而提供具有预定晶格的电子发射膜的电子发射电极。基板由导电材料或半导体材料制成。制作在基板上的电子发射膜含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0)且能够执行冷电子的场发射。在本例中，稀土元素是钇(Y)。
现参照图13和14来详细解释第三方法。
首先，对由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板33进行清洗。然后用离子注入方法在基板33上制作一个厚度在1000-5000范围的非晶氧化钇膜。
接着，将得到的由基板33和氧化钇膜组成的结构置于反应炉31中。通过入气口28将氢引入炉子31中，使炉子31保持充满氢气。氧和/或含氧物质按体积的浓度为1％或更小是可取的，最好为1000ppm或更小，100ppm或更小就更好。含氧物质是以气相形式存在的水。用分别配置在气口38和39的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并调节引入炉子31的氢的浓度，可控制此浓度。
然后，以100℃/15min-100℃/5min的速率将氢气氛加热到约600℃。在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而形成氧化钇膜的所需晶格。加热温度范围可为300℃-1000℃，最好是500℃-700℃。升温速率可为100℃/20min-100℃/5min。
做完这一步后，对所氧化钇膜进行脱氢。更具体地说，在减压到1×10-3乇或更低(最好是1×10-6乇或更低)的气氛中，于350℃或更高(最好是450℃-800℃)的温度下，对膜进行15分钟加热，从而将氢从氧化钇膜清除。
用清洗基板、制作氧化钇膜并加热此膜但对得到的氧化钇膜不进行脱氢的方法而制造的冷阴极荧光灯，在连续放电100小时之后只发射蓝白色光。这是氧化钇膜中所含的氢造成的。这就是在氢气氛中制得的氧化钇膜应该脱氢的理由。
在冷阴极荧光灯的制造过程中，在各带有氧化钇膜的电极封入管中之前，水之类的杂质从玻璃管中被清除。杂质的清除借助于在减压气氛中于大在约400℃下加热玻璃管而实现。此加热工艺确实可用来从氧化钇膜清除一定数量的氢。但由于温度较低(约400℃)，此荧光灯不如含有各带脱氢氧化钇膜的电极的灯那样容易地达到起始放电。因此，应在减压气氛中于450℃或更高温度下对氧化钇膜36进行脱氢。
上述第三方法在实验基础上执行。用第三方法确实制得了A型晶格的、AB型晶格的以及B型晶格的氧化钇膜。
下面解释执行冷电子场发射的电子发射电极的第四制造方法。
第四方法包含下列步骤：清洗基板；在基板上制作一个底层；在底层上制作一个金属氧化层；对金属氧化层进行加热以获得所需的晶系；以及对电子发射膜进行脱氢。此五个步骤按所述顺序进行，从而提供带有预定晶格的电子发射膜的电子发射电极。基板由导电材料或半导体材料制成。电子发射含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0)并能够发射冷电子。在此例中，稀土元素也是钇(Y)。
现参照图13和14详细解释第四方法。
首先，对由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板进行清洗。用气相淀积(由电阻加热或用电子束实现)或溅射方法，在基板上制作一个厚度为20000-40000的用来防止基板氧化并促进对氧化钇膜的物理和电连接的钇膜或导电底层。
接着，用离子注入方法在钇膜上制作一个厚度为1000-10000的非晶氧化钇膜。
然后，得到的由基板、钇膜和非晶氧化钇膜组成的结构被置于图13和14所示的反应炉31中的平台32上。通过入气口38将氢引入炉子31，使炉子31保护充满氢气。氧和/或含氧物质按体积的浓度为1％或更小是可取的，最好为1000ppm或更小，100ppm或更小就更好。含氧物质是以气相形式存在的水。用分别安装在气口38和39中的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并调节引入炉子31的氢的浓度，可控制前述浓度。
以100℃/15min-100℃/5min的速率将氢气氛从室温加热到约600℃。在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而使非晶氧化钇膜氧化。从而形成一个覆盖着氧化钇膜的氧化钇膜。氧化温度可为300℃-1000℃，最好是500℃-700℃。升温速率可以是100℃/20min-100℃/5min。
用清洗基板、制作钇膜并氧化此膜的表面区但对得到的氧化钇膜不进行脱氢的方法而制得的冷阴极荧光灯，在连续放电100小时之后只发射蓝白色光。这是氧化钇膜中所含的氢造成的。这就是在氢气氛中制得的氧化钇膜应该脱氢的理由。
在冷阴极荧光灯的制造过程中，在各带有氧化钇膜的电极封入管中之前，水之类的杂质从玻璃管中被清除。这一杂质的清除借助于在减压气氛中于大约400℃下对玻璃管进行加热而实现。此加热工艺确可从氧化钇膜清除一定数量的氢。但由于温度较低(约400℃)，此荧光灯不如含有各带脱氢氧化钇膜的电极的灯那样容易地达到起始放电。因此，应该在减压气氛中于450℃或更高的温度下，对氧化钇膜36进行脱氢。
上述第四方法在实验基础上执行。确实形成了A型晶格的、AB型晶格的以及B型晶格的氧化钇膜。
现解释执行冷电子场发射的电子发射电极的第五制造方法。
第五方法包含下列步骤：清洗基板；在基板上制作一个底层；在底层上制作一个金属氧化膜；以及将此金属氧化膜加热成所需的晶系。此四步骤按所述顺序进行，从而提供带有预定晶格的电子发射膜的电子发射电极。基板由导电材料或半导体材料制成。此电子发射膜含有R2O3-Z(其中R是一种稀土元素的原子或原子团，O是氧，Z为0.0-1.0)且能够执行冷电子场发射。在此例中，稀土元素也是钇(Y)。
现参照图13和14详细解释第五方法。
首先，对由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板33进行清洗。用气相淀积(由电阻加热或用电子束实现)或溅射方法，在基板上制作一个用来防止基板氧化并促进对氧化钇膜的物理与电接触的厚度为2000-40000的钇膜或导电底层。
然后，用离子注入方法在钇膜上制作一个厚度为500-2000的非晶氧化钇膜。
做完此步骤后，将得到的由基板、钇膜和非晶氧化钇膜组成的结构置于图13和14所示的反应炉31中。通过入气口38将氩引入炉子31中，使炉子31保持充满氩气。氧和/或含氧物质按体积的浓度为1％或更小是可取的，最好是1000ppm或更小，100ppm或更小则更好。含氧物质是以气相形式存在的水。用分别安装在气口38和39的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并调整引入炉子31的氩的浓度，可控制前述浓度。
以100℃/15min-100℃/5min的速率将氩气氛从室温加热到大约600℃。在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而使非晶氧化钇膜氧化。从而形成氧化钇膜(即电子发射膜)。氧化温度可为300℃-1000℃，最好是500℃-700℃。升温速率可为100℃/20min-100℃/5min。
之后，对氧化钇膜(即电子发射膜)进行脱氢。更具体地说，在减压为1×10-3乇或更低(最好是1×10-6乇或更低)的气氛中，于350℃或更高(最好是450℃-800℃)的温度下，加热此膜15分钟，从而将氢从氧化钇膜清除。
在第五方法中，钇膜在氩气氛中被氧化。这就不同于膜在氢气氛中氧化的第四方法。在氩气氛中形成的氧化钇膜几乎不含氢。此种氧化钇膜根本不需要脱氢。因而此法比第一方法少含一个步骤。尽管如此，若钇膜中含有即使少量的氢，则与第一方法那样对膜进行脱氢也是可取的。
上述第五方法在实验基础上执行。确实形态了A型晶格、AB型晶格以及B型晶格的氧化钇膜。究竟形成哪种型晶格决定于氧化气氛中的氧浓度。当氧浓度约为100ppm时，厚度约为1000的氧化钇膜在氧化后变成A型晶格的氧化钇膜，而当氧浓度约为10ppm时，变成B型晶格的氧化钇膜。
制造了二类各带有一对用第五方法制成的电子发射电极的冷阴极荧光灯。第一类包含各带有A型氧化钇膜的电极，而第二类包含各带有AB型氧化钇膜的电极。对这些灯的发射特性进行了测试。这些结果在下面提出的表3中进行了说明。表3中还示出了组合有Ni型电子发射电极的常规冷阴极荧光灯的发射特性。
表3电极 灯电流 IL(mA) 灯电压 VL(V) 亮度(cd/cm2) 光通量 F(1m) 发光效率 (1m/(V·A))导电 率相对于Ni型的灯电压改进(％)A型 5.0 18526000 to29000 25 to 26 27.0 to 28.1 △ +18AB型 5.0 17026000 to29000 25 to 26 29.4 to 30.6 ○ +24Ni型 5.0 22524000 to25000 23.5 to 24.5 20.9 to 21.8 ○ -
从表3可见，尽管放电电压较低，带有A型和AB型电极的冷阴极荧光灯在亮度和发光效率方面仍优于常规灯，虽然它们稍差于带有B型电极的灯、带有BC型电极的灯以及带有C型电极的灯。而且，带有A型电极的灯以及带有AB型电极的灯二者都呈现很高的导电率。此外，它们的溅射性质比带有Ni型电子发射电极的常规灯低得多。它们的连续发光时间确实比常规冷阴极荧光灯更长。
由上述第一和第二方法制得的A型电极、AB型电极以及B型电极，分别呈现相似于用第三、第四和第五方法制得的A型电极、AB型电极以及B型电极的发射特性。
从表1、2和3可知，含氧化钇的电子发射膜根据其晶系(A型晶格、AB型晶格、B型晶格、BC型晶格或C型晶格)，在电子发射性质方法有一点差别。电子发射膜的电阻率为10000Ω或更低。
在氩气氛中制造电子发射电极的第二和第五方法中，稀土元素的晶格受到少量氢的存在的影响。由于氢气促使氧在炉子中扩散，这对制作一个较好晶格的稀土元素单一膜是可取的。因此，第二和第五方法可在氢气与氩之类的稀有气体的混合气氛中执行。
图24示出了加热钇膜所用时间与加热钇膜所形成的各个氧化钇膜的厚度之间的关系。氧化膜的厚度示于纵坐标，加热时间示于横坐标。在图24中，实线表示上述第一方法中，当钇膜被氧化时，氧化膜如何逐渐生长。虚线表示在离子注入方法沉积在厚约27000的钇膜上的3000A厚的氧化钇膜于大气中被氧化时，氧化钇膜如何生长。点划线表示在离子注入法沉积在厚约27000的钇膜上的3000厚的氧化钇膜于Ar∶O2＝79％∶21％(体积比)的混合气氛中被氧化时，氧化钇膜如何生长。
如图24所示，尽管氧浓度很低，钇膜却以很高的速率在氢气氛中被氧化(第一方法)。
用电阻加热或用电子束，在基板上制作了一个1000-3000厚的钇膜。此钇膜在减压到1×10-3乇-1×10-6的氧浓度很低的气氛中，以100℃/15min-100℃/5min的速率被从室温加热到大约600℃。从而形成了一个A型晶格的氧化钇膜。完全没有形成具有良好电子发射性质的AB型氧化钇膜、BC型氧化钇膜或C型氧化钇膜。当钇膜在Ar∶O2＝79％∶21％(体积比)的混合气氛中被氧化时，也形成了A型氧化钇膜。
生长成图24所示厚度的电子发射膜呈现10000Ω或更低的电阻率。
现参照图13和14来解释“ R2O3-Z”中的R为镧(La)时的电子发射电极的制造方法。
首先，对由Ni-Cr合金(INCONEL 601)制成的基板进行清洗。用气相沉积(由电阻加热或用电子束实现)或溅射方法，在基板上制作一个厚度为3000-约6000的镧膜。
做完这一步骤后，将得到的由基板和镧膜组成的结构引入图13和14所示的反应炉31中，并安装到平台23上。通过入气口38将氢引入炉子31，使炉子31保持充满氢气。氧和/或含氧物质按体积的浓度为1％或更小是可取的，最好为1000ppm或更小，100ppm或更小则更好。含氧物质是以气相形式存在的水。用分别连接于气口38和39的氧吸附过滤器和水吸附过滤器，并调节引入炉子31的氩的浓度，可控制前述浓度。
以100℃/15min-100℃/5min的速率将氢气氛从正常温度加热到大约600℃。在约600℃下对结构加热10-60分钟，从而使镧膜的表面区氧化。于是形成一个覆盖着镧膜的氧化镧膜(即电子发射膜)。氧化温度可为300℃-1000℃，最好为500℃-700℃。升温速率可以是100℃/20min-100℃/5min。
之后，对氧化镧膜(即电子发射膜)进行脱氢。更具体地说，在减压到1×10-3乇或更低(最好是1×10-6乇或更低)的气氛中，于350℃或更高(最好是450℃-800℃)的温度下，对此膜进行加热15分钟，从而将氢从氧化镧膜清除。
制作了各带有氧化镧膜的电极的冷阴极荧光灯并测定了它们的放电特性。发现它们在放电特性方面劣于配置有各带有氧化钇膜的电极的冷阴极荧光灯。尽管如此，它们不仅在放电特性方面，而且在亮度和发光效率方面都优于包含Ni型电子发射电极的灯。
在上述第一到第五方法中，钇和镧可用任何一种其它稀土元素取代。更具体地说，钪(Sc)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)可用来取代钇(Y)和镧(La)。
上述所有冷阴极荧光灯都是直管。尽管如此，本发明也可用于其它形状的冷阴极荧光灯。例如，本发明可用于图25所示的平面形灯。如图25所示，这种冷阴极荧光灯包含一对彼此叠起来连接到一起在它们之间确定一个封闭空间的玻璃板41。此封闭空间充以惰性气体(如氩气)和汞蒸气。各玻璃板41的内表面涂以荧光材料。当电子撞击汞原子所产生的紫外线激发荧光材料时，荧光材料就发射预定波长的可见光。一对都呈带状的电子发射电极42彼此面对面地位于封闭空间中且分别连接于二个引线43。
而且，本发明可用于图26、27和28分别所示的L形、U形和S形的冷阴极荧光灯。L形灯包含一个L形玻璃管51、一对位于管51的端部54中的电子发射电极52、以及二个分别连接于电极52的引线53。U形灯包含一个U形玻璃管61、一对位于管61的端部64中的电子发射电极62、以及二个分别连接于电极62的引线63。S形灯包含一个S形玻璃管71、一对位于管71的端部74中的电子发射电极72、以及二个分别连接于电极72的引线73。电极52、62和72各带有稀土氧化物构成的电子发射膜，致使涂覆于玻璃管内表面上的荧光层可以发光。
上述冷阴极荧光灯可用作液晶显示板中的白色发射背景光。图29示出了一个组合有本发明的冷阴极荧光灯86的液晶显示板81。如图29所见，平板81包含彼此分隔开的二个透明衬底82和83、一个插在衬底81和83之间并在边缘处将它们连在一起的框形密封85、充填在衬底81、82和密封85所确定的空间中的TN或STN液晶。各透明衬底由玻璃或有机膜制成，且在对着另一透明衬底的表面上有一个或多个电极。液晶板81可用TFT之类的开关元件来驱动。
液晶板81的一侧是一个直的管状冷阴极荧光灯86。在灯86旁边和液晶板81下方制作了一个导光板87，用来将光从灯86引导到板81的背面。板87由丙烯酸树脂制成。在除板87上表面和正对着灯86的表面之外的周围表面上制作了光反射层88，而在板87的上表面上制作了光扩散层89。
根据本发明的电子发射电极可用于图30所示的DC驱动PDP中。
如图30所示，PDP91带有平面排列成行和列的红色发光象素、绿色发光象素和蓝色发光象素。这些象素用插入在透明上衬底92和透明下衬底93之间的壁垒101彼此绝缘。包括对可见光不透明的材料的壁垒101由多个条即一个网格构成。辅助阴极94安排在下衬底93上，排成行和列，各位于一个象素的中央处。每个辅助阴极94是一个包含一个基层95和一个安装在层95上的电子发射膜96的双层元件。基层95由至少一个诸如Y、Ni、Cr、Al和Mo的具有小功函数的导电材料制成。膜96由氧化钇(一种稀土氧化物)制成。氧化钇选自其晶系为A型、AB型、B型、BC型和C型晶格的那些氧化钇。这些氧化钇中，晶系为B型、BC型和C型晶格的较好。
如图30所示，数据电极97围绕辅助阴极94制作在下衬底93上。围绕数据电极97在下衬底93上还制作了由非晶硅之类制成的电流控制膜98。制作在下衬底93上的还有围绕电流控制膜98并覆盖其外周边缘的阴极102。每个阴极102是一个由一个基层103和一个制作在层103上的电子发射膜104所组成的双层元件。基层103由至少一个诸如Y、Ni、Cr、Al和Mo的导电材料制成。电子发射膜104由氧化钇(一种稀土氧化物)制成。此氧化钇选自其晶系为A型、AB型、B型、BC型和C型晶格的那些氧化钇。在这些氧化钇中，晶系为B型、BC型和C型晶格的较好。
电流控制膜98控制着馈至阴极102的电流，以抑制阴极102的溅射。借助于调节其厚度和长度并选择适当的杂质加入到非晶硅中，膜98可具有所需的电阻。
如图30所示，隔离膜105制作在下衬底93的除辅助阴极94的电子发射膜96和阴极102的电子发射膜104所覆盖的部位外的几乎整个表面上。辅助壁垒106制作在隔离膜105围绕辅助阴极94的那些部位。对于每个象素，红色发光荧光层107R、绿色发光荧光层107G和蓝色发光荧光层107B制作在壁垒101和辅助壁垒106上。
红色发光荧光层107R由(Y，Gd)BO3∶Eu3+或Y2O3∶Eu3+制成。绿色发光荧光层107G由Zn2SiO4∶Mn或BaAl12O19∶Mn制成。蓝色发光荧光层107B由BaMgAl14O23∶Eu2+或SrMg(SiO4)2∶Eu2+制成。
制作在上衬底92上的是滤色器111R、111G和111B，用来分别只通过红光、绿光和蓝光。滤光器111R、111G和111B用ITO制成的透明电极112覆盖。由上衬底92、下衬底93和壁垒101确定的空间，充以He或Xe之类的稀有气体。
下面解释PDP91如何被驱动。
首先，在透明电极112和辅助阴极94之间加一预定的电压，以便在其间产生一个辅助等离子体。
接着，数据电压被加于各象素的数据电极97。其结果是，一个受到控制的电流从电流控制膜98流到阴极102。由于辅助等离子体的协助，在阴极102和透明电极112之间就容易地产生一个等离子体。此等离子体激发稀有气体，稀有气体就产生紫外线。紫外线被加到制作在壁垒101和辅助壁垒106上的荧光层。荧光层就发射预定波长范围的光。此光通过上衬底92，从而每个象素发射一个光束以实现显示。
当外部光束入射到PDP91中时，这波色器111R、111G和111B，它们分别作为红光束、绿光束和蓝光束被发射到外面。这些光束分别与荧光层107R、107G和107B发射的光束结合。其结果是，从PDP91发射的光束具有足够深的色调。此外，由于各个滤色器111R、111G和111B吸收除了各自预定波长的光之外的外部光，故外部光很少从PDP91的显示表面被反射。这就抑制了显示表面上的闪烁，PDP91从而显示清晰的彩色图象。
PDP91的显示表面可用起光快门作用的液晶板覆盖。此时，PDP91能够以精细灰度水平显示图象。
在带有氧化钇膜的电子发射电极的PDP91中或许不使用荧光层。若果真如此，则PDP91的象素将发射从等离子体发出的橙色光，而不是不同颜色的光束。
在PDP91中，可用任何一种或几种其它的稀土元素来取代钇。更正确地说，钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Tb)或镥(Lu)可以取代钇(Y)。而且，基层95和103的材料不局限于Y、Ni、Cr、Al和Mo。而是可由任何一种功函数小于阳极透明电极112的材料来制成。
如上所述，电极94和102能够抑制本身溅射，并且能够以低的电压发射大量电子。
根据本发明的电子发射电极也可用于图31所示类型的FED中。
如图31所示，FED121带有在平面内排列成行和列的红色发光、绿色发光和蓝色发光象素。这些象素利用插入在透明上衬底122和透明下衬底123之间的壁垒而彼此隔离。壁垒由多个条即一个网格构成。其上加有亮度数据电压的数据电极124制作在下衬底123上。由非晶硅制成的电流控制膜125制作在数据电极124上。圆锥形冷阴极126在电流控制膜125上排列成行和列。为每一象素提供了约2000个冷阴极126。每个阴极126是一个由锥形基底127和完全覆盖着底部除外的基底127的电子发射膜128组成的双层元件。基底127由至少一个诸如Y、Ni、Cr、Al和Mo的具有小功函数的导电材料制成。电子发射膜128由氧化钇(一种稀土氧化物)制成。冷阴极126利用隔离膜129彼此电隔离。在隔离膜129上制作了一个栅电极130。栅电极130有窗口，使锥形冷阴极126的顶夹面对着上衬底。氧化钇选自其晶系为A型晶格、AB型晶格、B型晶格、BC型晶格和C型晶格的那些氧化钇。在这些氧化钇中，晶系为B型晶格、BC型晶格和C型晶格的较好。
电流控制膜125控制着馈向冷阴极126的电流，以便抑制阴极126的溅射。借助于调整厚度和长度并选择加入非晶硅的适当杂质，膜125可具有所需的电阻。
在透明上衬底122上，制作了分别正对着锥形冷阴极126的由ITO制成的透明阳极131。红色发光荧光层132R安装在一些阳极131上，绿色发光荧光层132G安装在另一些阳极131上，而蓝色发光荧光层132B安装在其余的阳极131上。
现在解释FED121的驱动过程。
首先，象素的数据电压被加于透明阳极131和数据电极124之间。由电流控制膜125控制的电流从数据电极124流到冷阴极126的锥形基底127。同时，选择电压被加于栅电极130。栅电极130选取某些冷阴极126。被选取的任一冷阴极的电子发射膜即膜128根据数据电压而发射电子。
其上加有所述电压的透明阳极131吸引由被选取冷阴极126发射出来的电子。因此，电子撞击制作在透明阳极131上的荧光层132R、132G和132B。被电子激发了的荧光层132R、132G和132B就发射可见光束。此可见光束朝外通过透明的上衬底122。结果，FED121就显示一个彩色图象。
FED121的显示表面可用起光圈作用的液晶板覆盖。此时，FED121能够以精细灰度等级来显示图象。
各带有氧化钇膜的电子发射电极可组合于单色FED中。
在FED121中，可用任何一种其它的稀土元素来取代钇。更正确地说，钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)可用来取代钇(Y)。而且，基底127的材料不局限于Y、Ni、Cr、Al和Mo。而是可由功函数小于透明阳极131功函数的任何一种其它材料制成。
如上所述，电极126能够抑制本身溅射，并能够以低的电压发射大量电子。