Brevet FR2780803A1 — publié le 20000107

COMMANDE D'UN ECRAN A CATHODES A FAIBLE AFFINITE ELECTRONIQUE On connaît des matériaux à affinité négative ou à faible affinité électronique qui sont généralement en carbone à structure diamant. Ces matériaux présentent le gros avantage d'émettre des électrons pour des champs d'extraction faibles (de l'ordre de 10 V/pm). Comme il est facile d'obtenir de tels champs sur une couche mince plane, pour fabriquer des cathodes, il n'est alors plus nécessaire de façonner des pointes, ce qui facilite le procédé de fabrication. Par exemple, dans une cathode à pointes, il est indispensable de contrôler le diamètre des trous dans la grille d'extraction à 0,1 pm près. W. Zhu et al. ont étudié des dépôts de diamant polycristallin obtenu par CVD (chemical vapour deposition) et ont montré que la densité d'émission augmentait fortement avec la densité de défauts que contiennent les films. Certaines conditions de dépôt permettent d'obtenir des couches présentant, pour des champs de l'ordre de 30 V/pm, des densités de courant de 10 mA/cm2, soit une valeur suffisante pour fabriquer un écran de luminosité de 300 cd/m2. Cependant, les propriétés émissives des films semblent peu uniformes car elles dépendent beaucoup de la rugosité (de l'ordre de la taille de grain 5 pm) et de la densité de défauts. Dans les écrans à émission de champ dont les cathodes sont réalisées en matériau polycristallin, on constate donc que l'affichage n'est pas uniforme. L'invention permet de résoudre ce problème en prévoyant de réaliser les cathodes d'un écran d'affichage d'informations, en un matériau à faible affinité électronique de structure amorphe ou cristalline qui présente un état de surface lisse. Cependant, de telles cathodes ne peuvent émettre un flux d'électrons important (inférieur à lmA/cm2 quelques 105 A/cm). Dans un écran matriciel, par exemple de 1 000 x 1 000 lignes, la commande des éléments images se fait en principe ligne par ligne. Pour résoudre le problème de faible puissance émise par chaque pixel (chaque cathode) on prévoit d'associer à chaque cathode un dispositif de commutation qui maintient la commande de la cathode pendant un temps de trame, un temps de trame étant le temps total nécessaire pour commander les unes après les autres toutes les lignes d'un écran. Dans ces conditions, on peut considérer que l'intensité émise par une cathode intégrée sur un temps de trame est pratiquement équivalente à la puissance qui aurait été nécessaire dans une commande ligne par ligne, multipliée par le nombre de lignes. Autrement dit, selon l'invention, les cathodes à faible affinité électronique caractérisées par une faible densité d'émission ( lignes de l'écran. L'invention concerne donc un système de commande d'un écran comprenant au moins un élément image à émission d'électrons à faible affinité électronique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un ensemble de cathodes arrangées en lignes et colonnes, et commandées ligne par ligne; - un dispositif de commutation associé à la cathode de chaque élément image et permettant de connecter ladite cathode à une source de courant durant un temps nécessaire à la commande de toutes les lignes et de régler la conduction en courant de l'élément image correspondant. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la et lb, des exemples simplifiés d'un dispositif à émission cathodique dans lequel la cathode est un matériau à faible affinité électronique; - la figure 2, une matrice de dispositifs tels que ceux des figures la et lb; - la figure 3, un circuit d'un point de croisement de commande d'un dispositif de la matrice de la figure 2; - la figure 4, un diagramme des temps de fonctionnement du circuit de la figure 3. La figure la représente une structure de base du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte, sur un substrat 2, une couche 21 en matériau à forte affinité électronique. Sur cette couche 21 est située au moins un élément 1 en matériau à faible affinité électronique, appelé cathode. Dans le cas d'un dispositif de visualisation en vis-à- vis de la cathode à une distance dca de la cathode se trouve une couche de matériau conducteur appelé anode 3. La couche 21 est de préférence conductrice et permet de commander électriquement la cathode. Dans la mesure o le substrat présente les propriétés de la couche 21, celle-ci peut être omise. Selon l'invention, la cathode est en matériau déposé sous forme amorphe de façon a présenter un bon état de surface. Sa structure cristalline peut être éventuellement modifiée par un traitement après dépôt i0 (traitement thermique ou laser). Ce matériau peut être par exemple en carbone avec la structure suivante: a-C:H; a-C:H:N. La figure lb représente un micro-canon à électrons. Une telle structure est similaire en ce qui concerne la partie émission d'électrons (cathode) à celle de la figure la. Cependant à la place de l'anode sera placée une cible non représentée. De plus, il est prévu une électrode 5' de focalisation du faisceau d'électrons. Cette électrode est située au-dessus de la grille 5 et entoure la partie émission d'électrons du dispositif. De tels dispositifs sont arrangés en lignes et colonnes pour permettre une commande matricielle. La figure 2 représente une telle organisation comprenant une matrice de dispositifs à émission cathodique DC1.1 à DCn.m connectés à des fils de lignes CL1 à CLn et à des fils de colonnes CC1 à CCm. Des circuits de commande CDL et CDC permettent d'appliquer des potentiels de commande aux fils de lignes et aux fils de commande. Chaque dispositif à émission cathodique est connecté à un fil de ligne et à un fil de colonne par un circuit à coïncidence ou un circuit de point de croisement DC1.1 à DCn.m. La figure 3 représente par exemple le circuit CTij de point de croisement connecté au fil de ligne CLi (i = 1 à n) et au fil de colonne CCj (j = 1 à n). Chaque point de croisement de la matrice comporte donc un circuit tel que représenté en figure 3. Le circuit comporte un premier transistor Tlij dont la grille GSij est connectée à un fil de ligne CLi et la source (ou émetteur) DSij est connectée à un fil de colonne CCj. Un premier condensateur Ctij est connecté au drain (ou collecteur) du transistor Tl ij. Un deuxième transistor T2ij permet de connecter le condensateur Ctij, et plus précisément le point Aij commun du condensateur Ctij et du transistor Tl ij, à un deuxième condensateur Csij. Le niveau de tension de ce deuxième condensateur Csij permet de commander la conduction d'un troisième transistor T3ij qui commande l'alimentation en courant de la cathode de point de croisement correspondant. Plus précisément, le deuxième transistor T2ij permet de connecter le point Aij au point commun Bij du condensateur et de la grille du troisième transistor T3ij. Enfin, un quatrième transistor T4ij permet de court-circuiter le deuxième condensateur Csij pour le décharger. La commande des transistors T2ij et T4ij se fait par des impulsions de commande appliquées à leurs grilles à des instants déterminés qui sont définis dans le diagramme de la figure 4. En se reportant à la figure 4, on va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 3. Les signaux VGS1 à VGSn (représentés par les lignes VGS1=VGSn) correspondent aux signaux de commande des lignes CL1 à CLn. On voit donc que pendant un temps T qui correspond à un temps de trame, toutes les lignes ont été commandées les unes après les autres. On s'intéressera par exemple au signal de commande VGSi de la ligne CLi. Sa période est donc égale à T. Durant chaque impulsion de commande de ligne telle que VGSi, une impulsion de commande de colonne d'une valeur particulière (comprise entre 0 et 10 V) est appliquée à chaque fil de colonne. D'une impulsion de commande de ligne à la suivante, les valeurs des impulsions de colonnes sont changées selon la commande que l'on veut réaliser. Sur la figure 4, on n'a représenté que les impulsions VDSj envoyés sur la colonne CCj et en particulier au point de croisement de la ligne i et de la colonne j représentée en figure 3. Durant le temps de trame T1, l'impulsion VDSj1 a, par exemple, pour valeur 10 Volts. Durant le temps de trame T2, l'impulsion VDSj2 a pour valeur 5 Volts et durant le temps de trame T3, l'impulsion VDSj3 a pour valeur 7 Volts. L'impulsion VGSi1 a pour effet de rendre conducteur le transistor Tlij qui transmet le potentiel VDSj au point Aij. Le condensateur Ctij se charge entre ce potentiel et la terre, c'est-à-dire à un potentiel de 10 Volts pour la première impulsion VDSjl. En fin de période T1, une impulsion ó1.1 (ligne ó1) qui est produite après la dernière impulsion de commande de ligne VGSn de la trame T1, le transistor T2ij est rendu conducteur. Il est à noter que ce signal 41 est appliqué à tous les transistors T2ij des différents points de croisement de la matrice. Dans chaque circuit de point de croisement, le point tel que Aij est connecté au point Bij. Le condensateur Csij est donc chargé au potentiel de Aij. Le potentiel du point Bij rend conducteur le transistor T3ij et celui-ci permet la circulation d'un courant vers le dispositif DCij et donc vers la cathode du point de croisement à commander. A l'issue de l'impulsion ó1.1, O les transistors tels que T2ij déconnectent les points Aij des points Bij. L'alimentation en courant du dispositif DCij est maintenue par le transistor T3ij sous la commande du condensateur Csij. Après l'interruption de l'impulsion 41.1, commence le temps de trame suivant T2. L'impulsion de colonne VGSi2 commande la conduction du transistor Tl ij. Le potentiel VDSJ2 est transmis au point Aij et commande la charge du condensateur Cti. Avant l'impulsion ó1.2 suivante, une impulsion 42.1 commande la conduction des transistors tels que T4ij, des différents circuits de points de croisement. Ces transistors ont pour rôle de mettre à la masse les points Bij. Toutes les capacités telles que Csij des différents points de croisement sont donc déchargés. Les transistors tels que T3ij passent dans l'état bloqué et ne conduisent plus de courant vers les dispositifs tels que DCij. Chaque impulsion 42.1 dure suffisamment pour permettre la décharge des condensateurs Csij. Lorsque les impulsions ó2.1 disparaissent, le système fournit l'impulsion suivante 41.2 de commande des transistors T2ij. Comme on l'a vu précédemment, le condensateur Ctij de chaque circuit de point de croisement a été chargé sous la commande des impulsions VGSi2 et VDSj2. La conduction du transistor T2ij commande le transfert de la charge du condensateur Ctij vers le condensateur Csij. Le transistor T3ij est rendu à nouveau conducteur en fonction du niveau de tension du condensateur Ctij. Le fonctionnement se poursuit ensuite comme cela vient d'être décrit. On voit donc comme cela est représenté en figure 3 qu'un circuit de point de croisement peut être considéré comme étant constitué: - d'un premier circuit mémoire M1 connecté à un fil de ligne et à un fil de colonne et comprenant le transistor Tl ij et le condensateur Ctij; - d'un deuxième circuit mémoire M2 comprenant le condensateur Csij; - d'un circuit de transfert CT connectant le circuit mémoire M1 au circuit mémoire M2 et comprenant le transistor T2ij; - d'un circuit de commande de courant CCT commandé par le circuit mémoire M2 et comprenant le transistor T3ij; d'un circuit CLEAR de remise à zéro du circuit mémoire M2 et comprenant le transistor T4ij. Selon le fonctionnement décrit précédemment, les différentes lignes sont commandées successivement durant un temps de trame. A chaque commande d'une ligne i, les mémoires M1 de la ligne i sont chargées par les informations de données des colonnes. En fin de temps d'une trame, toutes les mémoires M1 de la matrice sont chargées. Le circuit de transfert CT commande alors le transfert du contenu des mémoires M1 vers les mémoires M2, puis isole les mémoires M2 des mémoires M1. Les mémoires M2 commandent le circuit de commande de courant CT pendant que les données du temps de trame suivant sont chargées dans les mémoires M1. En fin de cette trame suivante, le circuit de remise à zéro CLEAR efface le contenu des mémoires M2, puis le circuit de transfert CT commande à nouveau le transfert du contenu des mémoires M1 vers les mémoires M2. Le fonctionnement se poursuit comme décrit précédemment. Il est à noter que le fonctionnement du système est placé sous le contrôle d'un circuit de contrôle central CCU. Celui-ci commande l'exploration ligne par ligne de la matrice et l'envoi pour chaque commande de ligne de potentiels appropriés sur les fils de colonnes. Ce circuit CCU fournit également les signaux ó1 et 42 aux instants appropriés en conformité avec la description qui précède, selon le chronogramme de la figure 4 par exemple. La dernière ligne de signaux de la figure 4, illustre l'application du système à un canon à électrons. Dans un tel type d'application, le faisceau d'électrons émis par une matrice de cathode est transmis sur une face d'un composant (à semiconducteur) à traiter. A un instant donné, il éclaire une zone de composant, à un instant suivant le faisceau est déplacé à la surface du composant et éclaire une zone voisine. La dernière ligne de la figure 4 illustre ce déplacement. A un instant donné, le faisceau éclaire une zone xl. Puis, le faisceau est déplacé (de 50 nm par exemple), la commande de la matrice est modifiée et le faisceau éclaire la zone x2. A nouveau, le faisceau est déplacé, la commande est modifiée, puis le faisceau éclaire la zone x3, etc... REVENDICATIONS 1. Système de commande d'un écran comprenant au moins un élément image à émission d'électrons, caractérisé en ce qu'il comporte: - un ensemble de cathodes arrangées en lignes et colonnes, et commandées ligne par ligne; un dispositif de commutation (CTi.j) associé à la cathode de chaque élément image et permettant de connecter ladite cathode à une source de courant durant un temps nécessaire à la commande de toutes les lignes et de régler la conduction en courant de l'élément image correspondant. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit à coïncidence comporte: - un premier circuit mémoire (M1l) connecté à un fil de ligne et à un fil de colonne et enregistrant une information de donnée transmise sur le fil de colonne; - un deuxième circuit mémoire (M2) connectable au premier circuit à mémoire (M1) par un circuit de transfert (CT); - un circuit de commande de courant (CCT) commandant la transmission d'un courant déterminé à un dispositif à émission cathodique en fonction de l'information fournie par le deuxième circuit à mémoire (M2); et en ce que le système comporte également: - un circuit de commande central (CCU) commun à tous les circuits à coïncidence réalisant les commandes suivantes: * exploration séquentielle des lignes de la matrice et l'envoi à chaque commande d'une ligne d'une information sur chaque colonne qui est alors mémorisée dans le premier circuit mémoire (M1); fonctionnement du circuit de transfert de chaque circuit à coïncidence pour commander le transfert du premier circuit mémoire (M1l) au deuxième circuit mémoire et cela à un temps situé à l'issue d'une exploration trame de la matrice. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque circuit à coïncidence comporte un circuit de remise à zéro (CLEAR) permettant d'effacer le contenu de la deuxième mémoire et cela à un instant situé en fin de trame et avant le fonctionnement du circuit de transfert. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier et le deuxième circuits à mémoire d'un circuit à coïncidence comportent chacun un condensateur capable d'être chargé à des niveaux de potentiels correspondant à une information reçue sur un fil de colonne. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cathode est en matériau conducteur à faible affinité électronique et de structure amorphe. 6. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque dispositif de commutation (CTi.j) comporte un circuit à coïncidence (Tli.j) connecté à un fil de ligne (CLi) et à un fil de colonne (CCj) commandant l'activation d'un circuit de connexion (T3i.j) permettant de connecter la cathode d'un élément image à la source de courant; lI'application d'un potentiel au fil de ligne et au fil de colonne commandant, par le circuit à coïncidence, la conduction de courant du circuit de connexion selon une valeur d'intensité correspondant à la valeur du potentiel appliqué au fil de colonne. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un premier condensateur (Cti.j) connecté à un point de connexion commun (Aij) du circuit à coïncidence (Tl i.j) et du circuit de connexion (T3i. j). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de transfert (T2i.j) permettant de connecter ledit point de connexion commun (Aij) au circuit de connexion (T3i.j) et en ce qu'il comporte un deuxième condensateur (Csij) connecté au circuit de connexion (T3i.j). 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une anode disposée en vis-à-vis de l'ensemble de cathodes. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément image comporte une cathode en matériau à faible affinité électronique.