(57)【要約】【課題】高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる整流素子を提供する。【解決手段】整流素子１Ａは、カーボンナノチューブ１２が形成された主面１１を有する陰極電極１０と、主面１１と対向する主面２１を有する陽極電極２０と、真空容器３０とを備える。主面１１と主面２１との間にはガラス粒子といった絶縁材４０が挟み込まれており、この絶縁材４０によって主面１１と主面２１との間隔Ｇ１が規定されている。カーボンナノチューブ１２は極めて細く且つ先端が鋭いため、比較的小さな電界でも先端から電子を放出することができる。従って、陰極電極１０と陽極電極２０との間の整流作用を好適に得ることができる。さらに、この整流素子１Ａは半導体を用いないのでキャリアの蓄積等による速度低下がなく、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブが形成された第１の面を有する第１の電極と、
前記第１の電極の前記第１の面と対向する第２の面を有する第２の電極と、
前記第１及び第２の電極を収容する真空容器と
を備えることを特徴とする、整流素子。
【請求項２】
前記第１の面と前記第２の面との間に挟まれた絶縁材を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の整流素子。
【請求項３】
前記絶縁材が粒状であることを特徴とする、請求項２に記載の整流素子。
【請求項４】
前記絶縁材が繊維状であることを特徴とする、請求項２に記載の整流素子。
【請求項５】
前記絶縁材がガラスを含むことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の整流素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の電極の双方または少なくとも一方を、前記第１及び第２の電極が互いに近づく向きに付勢する付勢手段を更に備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の整流素子。
【請求項７】
導電性材料からなり、一端が前記第１の電極を支持し、他端が前記真空容器外へ延設された第１のリード端子と、
導電性材料からなり、一端が前記第２の電極を支持し、他端が前記真空容器外へ延設された第２のリード端子と
を更に備え、
前記付勢手段が、前記第１及び第２のリード端子の双方または少なくとも一方に設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の整流素子。
【請求項８】
前記付勢手段が、前記第１及び第２のリード端子の双方または少なくとも一方に形成されたばね構造を含むことを特徴とする、請求項７に記載の整流素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、高周波電流を制御するための整流素子として、ＰＩＮダイオードが多く利用されている。ＰＩＮダイオードは、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及びこれらの半導体層に挟まれた高抵抗領域（ｉ領域）を含んで構成され、これらの層間に順方向バイアスを印加すると低インピーダンスとなり、また逆方向バイアスを印加すると高インピーダンスとなることによって、そこを通過する高周波電流を制御することができる。特許文献１には、このようなＰＩＮダイオードが開示されている。
【特許文献１】特表２００４−５１９１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＰＩＮダイオードには次のような問題点がある。すなわち、ＰＩＮダイオードにおいては順方向バイアスが印加された際にｉ領域に高濃度の少数キャリアが蓄積されるが、バイアスが逆方向に切り替わる際にこの少数キャリアが除去されるための時間が必要となり、応答速度が低下してしまう。従って、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる整流素子が望まれている。特許文献１に記載された発明は、このような課題を解決しようとするものではあるが、ＰＩＮダイオードに類似した構造を備えており、根本的に解決するものではない。
【０００４】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる整流素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するために、本発明による整流素子は、カーボンナノチューブが形成された第１の面を有する第１の電極と、第１の電極の第１の面と対向する第２の面を有する第２の電極と、第１及び第２の電極を収容する真空容器とを備えることを特徴とする。
【０００６】
上記した整流素子においては、第１の電極の面にカーボンナノチューブが形成されている。カーボンナノチューブは極めて細く且つ先端が鋭いため、比較的小さな電界でも先端から電子を放出することができる。従って、第１の電極と第２の電極との間に第２の電極側を正とする電圧が印加されると、第１の電極と第２の電極との間に生じた電界により第１の電極からカーボンナノチューブの先端を通って電子が放出され、第２の電極へ移動する。こうして、第１の電極と第２の電極との間に電流が流れる。逆に、第１の電極側を正とする電圧が印加されても、第２の電極からは電子が放出されないので電流は殆ど流れない。このように、上記した整流素子によれば、第１及び第２の電極間の整流作用を好適に得ることができる。さらに、この整流素子では半導体を用いないのでキャリアの蓄積等による速度低下がなく、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる。
【０００７】
また、整流素子は、第１の面と第２の面との間に挟まれた絶縁材を更に備えることを特徴としてもよい。上記整流素子においては、電気的特性を安定させるため、カーボンナノチューブの先端と第２の電極との間隔を精度よく一定に保つことが望ましい。この間隔が過大だと順方向の閾値電圧が大きくなり過ぎ、また、間隔が過小だと整流作用が得られなくなってしまうからである。この整流素子によれば、第１の面と第２の面との間に挟まれた絶縁材によって上記間隔を精度よく規定し、安定した電気的特性を得ることができる。
【０００８】
また、この場合、絶縁材は粒状または繊維状であることが好ましく、また、ガラスを含むことが好ましい。絶縁性の粒状物質（例えばガラス粒子）や繊維状物質（例えばガラス繊維）はその製造過程において直径を揃えることが比較的容易なので、このような物質を上記絶縁材として用いることにより、カーボンナノチューブの先端と第２の面との間隔を極めて精度よく維持できる。
【０００９】
また、整流素子は、第１及び第２の電極の双方または少なくとも一方を、第１及び第２の電極が互いに近づく向きに付勢する付勢手段を更に備えることを特徴としてもよい。これにより、例えば周囲温度の変化により第１及び第２の電極やそれらの支持部材が膨張・収縮しても、電極同士の間隔の変動を付勢手段が防ぐので、カーボンナノチューブの先端と第２の面との間隔を精度よく維持できる。
【００１０】
また、整流素子は、導電性材料からなり、一端が第１の電極を支持し、他端が真空容器外へ延設された第１のリード端子と、導電性材料からなり、一端が第２の電極を支持し、他端が真空容器外へ延設された第２のリード端子とを更に備え、付勢手段が、第１及び第２のリード端子の双方または少なくとも一方に設けられていることを特徴としてもよい。このようにリード端子が付勢手段を兼ねることにより、部品点数を少なくして整流素子を簡素に構成できる。また、この場合、付勢手段は、第１及び第２のリード端子の双方または少なくとも一方に形成されたばね構造を含むことが好ましい。これにより、上述した付勢手段を簡易な構成によって実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る整流素子によれば、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明による整流素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る整流素子の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。図１を参照すると、本実施形態の整流素子１Ａは、陰極電極（カソード）１０、陽極電極（アノード）２０、及び真空容器３０を備えている。陰極電極１０は本実施形態における第１の電極であり、陽極電極２０は本実施形態における第２の電極である。
【００１４】
陰極電極１０は金属製の板状部材であり、主面（第１の面）１１を有している。主面１１は平坦に形成されており、主面１１には多数のカーボンナノチューブ１２が全域にわたって形成されている。各カーボンナノチューブ１２の一端は主面１１に固着しており、他端は主面１１と交差する方向（概ね法線方向）に延びている。カーボンナノチューブ１２としては、単層構造のカーボンナノチューブのほか、同軸多層構造のカーボンナノチューブなどを用いることができる。なお、熱ＣＶＤ法でカーボンナノチューブを形成する場合、陰極電極１０の主面１１の構成材料としては鉄（Ｆｅ）を含む金属が好適である。
【００１５】
カーボンナノチューブ１２の製法としては、例えばレーザ蒸着法、抵抗加熱法、プラズマ法、熱ＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、電子線蒸着法など、主に気相成長によりカーボンナノチューブ１２を形成する方法が好適である。好ましくは、不活性ガス若しくは水素ガス存在下に反応ガスを導入する乾式法が好ましく、より好ましくは水素ガス存在下に一酸化炭素を導入し、熱分解した成分を、鉄（Ｆｅ）を含む金属からなる陰極電極１０の主面１１上にカーボンナノチューブ１２として析出させる方法が好ましい。
【００１６】
また、カーボンナノチューブ１２の更に好適な構造としては、例えばチューブ状多層炭素壁中に微小な鉄片（或いは鉄分子）を内包するような構造がある。このような構造のカーボンナノチューブは、鉄を内包するので電子放出性が高く、その電界閾値（カーボンナノチューブに電圧を印加したときに、電子の放出が始まる電界の大きさ）は例えば１［Ｖ／μｍ］程度である。
【００１７】
陽極電極２０は金属製の板状部材であり、主面（第２の面）２１を有している。主面２１は陰極電極１０の主面１１と対向しており、主面１１に沿って平坦に形成されている。陽極電極２０の主面２１と陰極電極１０の主面１１との間隔（ギャップ）Ｇ１は、カーボンナノチューブ１２の長さ、すなわちカーボンナノチューブ１２からなる層の厚さと、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２との和として決定される。カーボンナノチューブ１２の長さは例えば間隔Ｇ２と同程度、もしくは間隔Ｇ２より短い長さが適当であり、間隔Ｇ２は例えば０．０５〜０．２［μｍ］程度である。
【００１８】
真空容器３０は、その一端および他端が閉じられた筒状の容器であり、例えばガラスなどの絶縁性材料からなる。真空容器３０は、陰極電極１０及び陽極電極２０を内部に収容しており、これらを気密に封止する。
【００１９】
また、整流素子１Ａは、複数の絶縁材４０を更に備えている。複数の絶縁材４０は、陰極電極１０の主面１１と陽極電極２０の主面２１との間に挟まれており、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２を規定する。また、複数の絶縁材４０は、互いに間隔をあけて配置されている。絶縁材４０としては、例えばガラスなどの電気不導体からなる粒状物質（ガラス微粒子）や繊維状物質などが好適である。これらの物質は製造過程において直径を揃えることが比較的容易であり、直径が均一化されたものは工業製品として容易に入手できる。このような物質を絶縁材４０として用いることにより、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２を精度よく規定できる。絶縁材４０が粒状物質である場合、例えば１０〜１００［個／ｍｍ２］といった密度で陰極電極１０の主面１１と陽極電極２０の主面２１との間に均一に配置するとよい。また、絶縁材４０の直径は、陰極電極１０の主面１１と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ１、カーボンナノチューブ１２の長さ、及びカーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２に応じて適宜選択され、例えば０．０５〜０．２［μｍ］である。
【００２０】
また、整流素子１Ａは、金属などの導電性材料からなるリード端子５０及び６０を更に備えている。リード端子５０は本実施形態における第１のリード端子であり、リード端子６０は本実施形態における第２のリード端子である。リード端子５０の一端は陰極電極１０の裏面１３を支持すると共に、陰極電極１０と電気的に接続されている。リード端子５０の他端は陰極電極１０の主面１１と交差する方向（本実施形態では法線方向）に延びており、真空容器３０の一端を貫通して真空容器３０の外部へ延設されている。また、リード端子６０の一端は陽極電極２０の裏面２３を支持すると共に、陽極電極２０と電気的に接続されている。リード端子６０の他端は陽極電極２０の主面２１と交差する方向（本実施形態では法線方向）に延びており、真空容器３０の他端を貫通して真空容器３０の外部へ延設されている。
【００２１】
また、リード端子５０の一部は付勢手段５１となっている。付勢手段５１は、陰極電極１０及び陽極電極２０が互いに近づく向きに陰極電極１０を付勢する（押し付ける）ために設けられている。付勢手段５１は、例えば図に示すように圧縮コイルばねといったばね構造を含んで構成されており、リード端子５０の一部がこのようなばね構造に成形されることによって実現されている。
【００２２】
ここで、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、カーボンナノチューブ１２と絶縁材４０との相対的な配置の例を示す図である。図２（ａ）に示す例では、付勢手段５１（図１参照）による付勢力はカーボンナノチューブ１２が座屈しない程度に加えられており、絶縁材４０はカーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０とに接している。この場合、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２は、絶縁材４０の直径とほぼ等しくなる。また、図２（ｂ）に示す例では、付勢手段５１（図１）による付勢力はカーボンナノチューブ１２が座屈して潰れる程度に加えられており、絶縁材４０は陰極電極１０と陽極電極２０とに接している。この場合、陰極電極１０の主面１１と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ１は絶縁材４０の直径とほぼ等しくなるので、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２は、間隔Ｇ１（または絶縁材４０の直径）からカーボンナノチューブ１２の長さ（カーボンナノチューブ１２からなる層の厚さ）を差し引いた長さとなる。
【００２３】
次に、整流素子１Ａの作用及び効果について説明する。本実施形態の整流素子１Ａにおいては、陰極電極１０の主面１１にカーボンナノチューブ１２が形成されている。ここで、図３は、カーボンナノチューブ１２の放電作用について説明するための図である。カーボンナノチューブ１２は極めて細く且つ先端が鋭いため、比較的小さな電界でも先端から電子を放出することができる。従って、陰極電極１０と陽極電極２０との間に陽極電極２０側を正とする電圧が印加されると、陰極電極１０と陽極電極２０との間に生じた電界によって、図３（ａ）に示すように陰極電極１０からカーボンナノチューブ１２の先端を通って電子ｅが放出され、陽極電極２０へ移動する。こうして、陰極電極１０と陽極電極２０との間に電流が流れる。逆に、陰極電極１０側を正とする電圧が印加されると、図３（ｂ）に示すように陽極電極２０からは電子が放出されないので電流は殆ど流れない。このように、本実施形態の整流素子１Ａによれば、陰極電極１０と陽極電極２０との間の整流作用を好適に得ることができる。さらに、この整流素子１Ａでは半導体を用いないのでキャリアの蓄積等による速度低下がなく、高周波電流をＰＩＮダイオードより優れた応答速度で制御できる。
【００２４】
このような優れた効果を有する整流素子１Ａは、例えばマイクロ波によるエネルギー伝送に利用できる可能性がある。すなわち、マイクロ波のような極めて高周波の電磁波に対しては、従来のＰＩＮダイオードのような半導体ダイオードは有効に機能せず、実用的な整流素子が存在しないのが現状である。本実施形態の整流素子１Ａは、上述したような高速応答性に加え、大きな電流密度を許容できるカーボンナノチューブを利用することにより、従来になかった高周波大電流用の整流素子に応用できるものである。
【００２５】
また、整流素子１Ａの電気的特性を安定させるためには、カーボンナノチューブ１２の先端と陽極電極２０の主面２１との間隔Ｇ２を精度良く一定に維持することが求められる。この間隔Ｇ２が大き過ぎると順方向の閾値電圧が大きくなり過ぎ、また、間隔Ｇ２が小さ過ぎると逆方向における電界閾値が過度に低下してしまい、整流作用が損なわれてしまうからである。
【００２６】
そこで、本実施形態では、陰極電極１０の主面１１と陽極電極２０の主面２１との間に絶縁材４０を配置し、この絶縁材４０を陰極電極１０及び陽極電極２０によって挟み込んでいる。これにより、間隔Ｇ２を精度よく規定し、安定した電気的特性を得ることができる。絶縁材４０としては、前述したように粒状または繊維状の電気不導体（ガラス等）が好適である。
【００２７】
また、本実施形態のように、整流素子１Ａは、付勢手段５１を備えることが好ましい。整流素子１Ａが通常の電気製品と同様の使用環境に置かれることを想定した場合、整流素子１Ａは或る程度の温度変化を受けることとなる。このとき、整流素子１Ａを構成する各部材の熱膨張率の違いが、上記間隔Ｇ２を変動させる方向に作用する場合がある。このような場合、本実施形態のように整流素子１Ａが付勢手段５１を備えることにより、例えば周囲温度の変化により各電極１０，２０やそれらの支持部材（リード端子５０，６０）が膨張・収縮しても、電極１０，２０同士の間隔の変動を付勢手段が防ぐので、上記間隔Ｇ２を精度よく維持できる。
【００２８】
また、本実施形態のように、リード端子５０が付勢手段５１を兼ねることにより、部品点数を少なくして整流素子１Ａを簡素に構成できる。また、付勢手段５１としてリード端子５０にばね構造を形成することによって、付勢手段５１を簡易な構成で実現できる。
【００２９】
なお、付勢手段は、陽極電極２０を陰極電極１０へ向けて付勢するように設けられてもよく、或いは陰極電極１０及び陽極電極２０の双方を互いに近づく方向へ付勢するように設けられてもよい。付勢手段が陽極電極２０を付勢する場合、リード端子６０が付勢手段を兼ねることが好ましく、付勢手段５１と同様のばね構造がリード端子６０に形成されることが尚好ましい。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る整流素子の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態の整流素子１Ｂと第１実施形態の整流素子１Ａとの相違点は、陰極電極１０の支持形態である。すなわち、本実施形態の整流素子１Ｂは、第１実施形態のリード端子５０及び付勢手段５１に代えて、付勢手段７０及びリード端子８０を備えている。なお、他の構成については第１実施形態の整流素子１Ａと同様であるため説明を省略する。
【００３１】
付勢手段７０は、図に示すように圧縮コイルばねといった形状を有しており、その一端は真空容器３０の一端に固定され、その他端は陰極電極１０に固定されている。付勢手段７０は、陰極電極１０の裏面１３を支持すると共に、陰極電極１０及び陽極電極２０が互いに近づく向きに陰極電極１０を付勢する（押し付ける）。また、リード端子８０は、リード端子６０と並んで設けられている。リード端子８０の一端はボンディングワイヤ８１を介して陰極電極１０と電気的に接続されており、リード端子８０の他端は真空容器３０の他端を貫通して真空容器３０の外部へ延設されている。
【００３２】
本実施形態のように、付勢手段はリード端子とは別に設けられてもよい。このような構成によっても、第１実施形態の付勢手段と同様の効果を得ることができる。なお、ボンディングワイヤ８１の剛性は、付勢手段７０や陰極電極１０の剛性と比較して極めて小さいことが好ましい。
【００３３】
本発明による整流素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では本発明による整流素子の整流作用についてのみ述べたが、逆方向電圧（すなわち第１の電極を正とする電圧）を印加した場合に一定以上の電圧で第２の電極から第１の電極へ電子が移動するように構成し、定電圧ダイオードとして用いてもよい。例えば、カーボンナノチューブの先端と第２の電極との間隔Ｇ２を第２の電極の全域に亘って精度良く揃えることにより、このような構成を好適に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る整流素子の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）カーボンナノチューブと絶縁材との相対的な配置の例を示す図である。
【図３】（ａ）（ｂ）カーボンナノチューブの放電作用について説明するための図である。
【図４】本発明に係る整流素子の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１Ａ，１Ｂ…整流素子、１０…陰極電極、１２…カーボンナノチューブ、２０…陽極電極、３０…真空容器、４０…絶縁材、５０，６０，８０…リード端子、５１，７０…付勢手段、８１…ボンディングワイヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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