DE1154506B

DE1154506B - Kameraroehre mit einer durch einen Elektronenstrahl abzutastenden, halbleitenden Auftreffplatte

Info

Publication number: DE1154506B
Application number: DEN19347A
Authority: DE
Inventors: Francois Desvignes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1959-12-24
Filing date: 1960-12-20
Publication date: 1963-09-19
Also published as: US3322955A; GB942406A; NL259237A; FR1252824A; USRE28388E

Description

DEUTSCHES

kl. 21a¹ 32/35

INTERNATIONALE KL. PATENTAMT H 04 η; H 01 j

N19347

ANMELDETAG: 20. DEZEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 19. SEPTEMBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kameraröhre mit einer durch einen Elektronenstrahl abzutastenden strahlungsempfindlichen Auftreffplatte aus halbleitendem Material in Berührung mit einer Signalelektrode, welche Auftreffplatte zwei in deren Stärkerichtung hintereinanderliegende, entgegengesetzt gerichtete pn-Übergänge hat.

Bei einer bekannten Kameraröhre eingangs erwähnter Art wird die Auftreffplatte durch drei parallele Schichten aus einem Material mit einem hohen spezifischen Widerstand, insbesondere Bleimonoxyd gebildet, welche Schichten durch Abweichung von der stöchiometrischen Zusammensetzung des Materials bzw. durch Einbau von Fremdatomen den gewünschten Leitfähigkeitstyp aufweisen.

Die Erfindung bezweckt, eine Kameraröhre eingangs erwähnter Art zu schaffen, die eine größere Empfindlichkeit hat als die bekannte Röhre und in der für die Auftreffplatte Materialien benutzt werden können, die im Vergleich zu den Materialien für die bekannte Röhre einen erheblich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand haben dürfen, so daß die Anzahl von Materialien, aus denen eine Auswahl getroffen werden kann, für die Auftreffplatte der Kameraröhre nach der Erfindung ausgedehnt ist.

Gemäß der Erfindung besteht die Auftreffplatte aus einer Mosaikplatte gesonderter Elemente, die aus je zwei Zonen halbleitenden Materials des gleichen Leitfähigkeitstyps bestehen, welche durch eine Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt sind, wobei höchstens die an der Signalelektrode angrenzende Zone einen Teil einer mehr oder weniger geschlossenen Schicht bildet, während weiter die Stärke der zwischenliegenden Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps kleiner ist als die effektive Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger darin. Das gemäß der Erfindung angewandte Aufbrechen der bei der bekannten Bauart eine geschlossene Schicht bildenden Auftreffplatte in wenigstens größtenteils voneinander getrennte Sonderelemente hat zur Folge, daß bei Verwendung eines Auftreffplattenmaterials mit einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand die Bilddefinition, die sonst durch die Querleitfähigkeit in der Auftreffplatte gestört werden könnte, nicht beeinträchtigt wird. Dadurch, daß für jedes Mosaikelement die zwischenliegende Zone mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp die angegebene geringe Stärke hat, wird erreicht, daß ähnlich wie bei Transistoren eine Nachlieferung von Minderheitsladungsträgern durch diese Zone hindurch erfolgt, was eine größere Empfindlichkeit der Auftreffplatte mit sich bringt.

Kameraröhre mit einer durch einen

Elektronenstrahl abzutastenden,

halbleitenden Auf treffplatte

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 24. Dezember 1959 (Nr. 814 093)

Francois Desvignes, Bourg-la-Reine, Seine

(Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung mit einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kameraröhre nach der Erfindung und

Fig. 2 schematisch einen Teil des Querschnittes durch die Auftreffplatte der Röhre nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Röhre nach der Erfindung, die zur Aufnahme von Infrarotbildern geeignet ist;

Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen verschiedene Stufen der Herstellung einer Auftreffplatte für eine Röhre nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Kameraröhre enthält innerhalb des entlüfteten Kolbens 3 eine Auftreffplatte 1, deren Zusammenbau weiter unten an Hand der Fig. 2 beschrieben wird. Diese Auftreffplatte 1 ist elektrisch mit einer Signalelektrode 2 verbunden, die aus einer dünnen leitenden Schicht, z. B. aus Metall, besteht, welche durchsichtig ist. Die Auftreffplatte 1 mit der Signalelektrode 2 ist auf dem Fenster 4 des Kolbens 3 angebracht, in dem sich diesem Fenster gegenüber eine Elektronenkanone üblichen Typs mit einer Kathode 5, einem Wehneltzylinder 6 und einer Fokussierungselektrode 7 befindet. Die Röhre enthält weiter ein Ablenksystem für die horizontale und vertikale Ablenkung des von der Elektronenkanone

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Stammenden Elektronenstrahls, der auf die Auftreff- einem Gebiet N' nach einem Gebiet N verlaufender

platte 1 gerichtet ist. Dieses Ablenksystem' ist in Elektronen und der Anzahl in dem zwischenliegen-

Fig. 1 schematisch angegeben durch ein einziges Plat- den Gebiet P durch die eingefangene Bildstrahlung

tenpaar 8. entstandener Löcher ist gleich dem Verstärkungsfak-

Die Kathode 5 und die Signalelektrode 2 sind an s tor α' der als ■ Phototransistor wirksamen npn-Struk-

eine Spannungsquelle 9 mit konstanter Spannung in tür. Die Gebiete JV', P und JV spielen die Rolle eines

Reihe mit einem Signalwiderstand 10 angeschlossen, Emitters, einer Basis bzw. eines Kollektors eines

dem das von der Röhre zu liefernde Bildsignal ent- Phototransistors.

nommen wird; Durch die Spannungsquelle 9 hat die Die Bildung von Löchern in einem Mosaikelement

Signalelektrode 2 ein positives Potential gegenüber _i0 hat somit einen Entladungsstrom dieses Elementes zur

der Kathode 5. Der Potentialunterschied zwischen Folge, der proportional ist mit der durch die ein-

dieser Signalelektrode und der Kathode wird gewöhn- gefangene Bildstrahlung erzeugten Anzahl von

lieh von. der Größenordnung von 10 Volt gewählt. Löcher-Elektronenpaaren, welcher Entladungsstrom

Fig. 2 zeigt schematisch einen Teil eines Schnittes zum Dunkelstrom gezählt wird. Wenn letzterer ver-

durch die Auftreffplatte 1. Sie wird in diesem Falle 15 nachlässigbar klein ist, -ist in dem Zeitintervall

durch eine Einkristallschicht JV aus n-Typ-Silicium zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen

gebildet, auf deren Oberfläche eine große Anzahl von- eines Mosaikelementes durch den Elektronenstrahl

einander -getrennter schichtenartiger^: Gebiete P mit die Entladung eines solchen Elementes proportio-

p-Typ-Leitfähigkeit angebracht sind. Jedes dieser Ge- nal mit der Anzahl von Strahlungsquanten, die von

biete P an sich ist auf der Seite der Elektronenkanone ₂o diesem Element aufgefangen wird,

mit einer Schicht JV' überzogen, die n-Typ-Leitfähig- : Bei der Abtastung durch den von der Elektronen-

keit aufweist. Die Trennung zwischen den Gebieten? kanone stammenden Elektronenstrahl fängt jedes

und den Gebieten TV'. bringt mit sich, daß die Auf- JV'-Gebiet eine solche Menge von Elektronen auf,

treffplatte 1 aus einem Mosaik· aus wenigstens auf der daß der ursprüngliche Spannungsunterschied an

Seite der Elektronenkanone nicht' miteinander ver- 25 diesem Element wiederhergestellt wird. Dieses Ein-

bundenen Elementen besteht, wobei jedes dieser EIe- fangen der Strahlelektfönen bringt einen momen-

mente zwei entgegengesetzt gerichtete np-Übergänge tanen Spannungsunterschied an dem Signalwider-

hat.r Die Stärke der Gebiete P ist derart gewählt, daß stand 10 mit sich, welcher Spannungsunterschied für

sie geringer ist als. die effektive Diffusionslänge der die zwischenzeitliche Entladung des betreffenden

Minderheitsladungsträger, in diesem Falle somit der 30 Mosaikelementes und somit für die Anzahl der durch

Elektronen darin,. .-,.:: dieses Element absorbierten Strahlungsquanten mäß-

Beim Abtasten der .Auftreffplatte 1 durch den gebend ist.

von der Elektronenkanone stammenden Elektronen- Infolge der npn-Struktur der Auftreffplatte in der strahl werden die Gebiete JV' auf dem Potential der Röhre nach der Erfindung erhält man in der AufKathode 5 stabilisiert,, wodurch an, jedem Mosaik- 35 treffplätte eine Verstärkung, die der Verstärkung entelement der Äuftreffpiatte ein Spannungsunterschied spricht, die bei einem Transistor erhalten wird, der erzeugt wird. Zwischen ^;zwei aufeinanderfolgenden mit einem sehr niedrigen Strom betrieben wird. InAbtastungen wird· im'Mittel ein Mosaikelement sich fblgedesseri hat die Röhre nach der Erfindung eine um einen größeren oder kleineren Teil durch den Empfindlichkeit, die erheblich größer ist als die von sogenannten Dunkelstrom entladen. Dieser kann 40 Röhren mit einer Äuftreffplatte mit einem einzigen durch die Wahl des in der Auftreffplatte 1 verwen- pn-übergang in der Dickerichtung der Platte,
deten halbleitenden Materials und der Betriebstempe- Zum Erzielen von Röhren mit Infrarotempfindlichratur der Äuftreffplatte,derart niedrig gehalten wer- keit ist es vorteilhaft, halbleitende Materialien, wie den, daß die Entladung mit einer Zeitkonstante er- Germanium, zu benutzen.

folgt, die groß ist im Vergleich zu dem Zeitintervall 45 Bei Silicium ist der Schwellwert der spektralen

zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen des Empfindlichkeit bei 1,1 μ, bei Germanium kann

gleichen Mosaikelementes. In diesem Falle behalten dieser Wert auf 1,9 μ und bei bestimmten, bekann-

die Elemente der Aufjtreffplatte im Mittel praktisch ten zwei Metallverbindungen kann dieser Wert auf

eine konstante Ladung bei. etwa 8 μ gebracht werden.

Wird jedoch auf der Auftreffplatte 1 durch das 50 Die mit diesen Materialien erhältlichen Auftreff-Fenster 4 des Kolbens 3 hindurch ein optisches platten haben im allgemeinen bei Zimmertemperatur Bild, z. B. mittels einer. Optik O erzeugt, wobei die einen zu hohen Dunkelstrom, aber es genügt im all-Photonen in der Äuftreffplatte Löcher-Elektronen- gemeinen eine verhältnismäßig geringe Abkühlung paare auslösen, so sind die Löcher geneigt, sich in vorzusehen, um den Dunkelstrom auf einen hinden Gebieten P aufzuhalten. Dabei erniedrigen sie 55 reichend niedrigen Wert herabzumindern; bei Germaden Potentialsprung zwischen den Gebieten JV' nium ζ. B. ist die Zeitkonstante im Mittel etwa und P, wodurch Elektronen leichter aus den Ge- 1 Sekunde, sobald die Temperatur der Auftreffplatte bieten JV' in ein untenliegendes Gebiet P eintreten niedriger als —20° C ist.

können und dann wegen der geringen Stärke der Ge- Es ist nicht notwendig, die Auftreffplatte von der

biete P im Vergleich zu der Diffusionslänge der Elek- 60 von der Elektronenkanone abgewendeten Seite her zu

tronen in dem Material dieser Gebiete bequem die an belichten. Die Belichtung der Mosaikfläche, d. h. der

die Signalelektrode grenzenden Gebiete JV erreichen von dem Elektronenstrahl abgetasteten Oberfläche,

können. Die Bildung einer Anzahl von Löchern in erbringt zwei Vorteile:

einem Mosaikelement_v durch die bildformende Strah- eine geringere Diffusion des Bildes, so daß das lung löst einen Elektronenstrom von dem Gebiet JV' 65 Auflösungsvermögen größer ist,
nach dem Gebiet JV aus, in dem die Anzahl von die Möglichkeit, Auftreffplatten mit relativ Elektronen die erwähnte Anzahl von Löchern über- großer Stärke und großem Durchmesser zu verschreitet. Das Verhältnis zwischen der Anzahl von wenden.

Γ 154

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kameraröhre nach der Erfindung, wobei eine Spiegeloptik 12 eingebaut ist.

Bei dieser Ausführungsform kann das Fenster 4 einerseits als Korrektionslinse (Schmidt- oder Maksutow-Linse) dienen und andererseits durch direkte Berührung die Abkühlung der Auftreffplatte mittels des Gefäßes 11 herbeiführen. Die weiteren Elemente der Röhre sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig.l. ιύ

Es wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung einer Auftreffplatte für eine Röhre nach der Erfindung beschrieben. Das Verfahren bezieht sich auf ■eine npn-Struktur auf Basis von Silicium.

Nach Fig. 4 wird aus einem SiliciumkristaÜ' mit ij' n-Typ-Leitfähigkeit und einem spezifischen Widerstand von Γ Ohm-cm, welcher Kristall auf bekannte Weise durch Sägen und Schleifen einer Scheibe mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Stärke von 0,3 mm hergestellt ist. Diese Scheibe wijd darauf ao durch Tauchen in ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Essigsäure gebeizt, so daß die Stärke auf etwa 0,15 mm herabgesetzt wird. Die so erhaltene Scheibe A wird darauf in einen Ofen eingebracht, durch den eine Sauerstoffströmung unter atmosphärischem Druck geführt wird, wobei eine Erhitzung bis 1100° C während einer Stunde stattfindet, um auf der Oberfläche eine undurchdringbare SiIiciumoxydschicht B mit einer Stärke von etwa 1 μ zu erzielen. Auf beiden Oberflächen der Scheibe wird darauf eine photoempfindliche Lackschicht G angebracht, die auf einer Seite, die weiter mit Vorderseite angedeutet wird, durch eine Maske D mit einem Viereckmuster und auf der anderen Seite egal belichtet wird. Die nicht belichteten Teile der Lackschicht, d.h. hinter den kleinen undurchsichtigen Quadraten der Maske D, werden darauf durch in der Photographie bekannte Mittel entfernt, worauf die Scheibe in die Fluorwasserstoffsäure getaucht wird, um die Siliciumoxydschicht B an denjenigen Stellen zu lösen, wo die Lackschicht C entfernt worden ist. Auf der Vorderseite bleibt dabei von der Siliciumoxydschicht B lediglich ein ein Gittermuster bildender Teil zurück. In dieser Stufe hat die Scheibe die in Fig. 5 perspektivisch veranschaulichte Gestalt. Nach dem Spülen wird der belichtete Lack an sich durch in der Photographie bekannte Mittel entfernt, worauf gleichzeitig Arsen und Bor in die Scheibe eindiffundiert werden. Aus einer bei der Herstellung von Transistoren verwendeten Technik ist es bekannt, daß bei passend gewählten Konzentrationen von Arsen und Bor in der Gasströmung, welche über die Scheibe geführt wird, Eindringtiefen erzielt werden, die scharf voneinander verschieden sind, wodurch nach einer bestimmten Diffusionszeit in der der Gasströmung ausgesetzten Oberfläche der Scheibe n-Typ-Leitfähigkeit infolge der Arsenatome und in der untenliegenden Schicht p-Typ-Leitfähigkeit infolge der Boratome erhalten wird. Unterhalb der zuletzt genannten Schicht befindet sich die Siliciumschicht mit n-Leitfähigkeit.

Nachdem die Mosaikfläche, die der Diffusion ausgesetzt worden ist, mit einer Schutzschicht, z. B. aus Lack, bedeckt worden ist, wird das Siliciumoxyd auf der Rückseite der Scheibe durch Tauchen in Fluorwasserstoffsäure entfernt, und nachdem die Schutzschicht des Lacks auf der Vorderseite entfernt worden ist, wird mittels Elektrolyse in einer verdünnten Kaliumlösung etwas Silicium der isolierten Elemente und der Rückseite der Scheibe entfernt. Es entsteht dann eine Auftreffplatte, deren Struktur im Schnitt in Fig. 6 veranschaulicht ist, wobei E Diffusionsgebiete bezeichnet, die auf der Oberfläche η-Leitfähigkeit und tiefer p-Leitfähigkeit aufweisen.

Das Siliciumoxydmuster auf der Vorderseite hat die Diffusion von Bor und Arsen auf kleine, gesonderte Quadrate beschränkt, die ein Schachbrettmuster aufweisen. Das Beibehalten dieses Musters verhütet, daß das ursprüngliche Material der Scheibe mit η-Leitfähigkeit von den Elektronen des Abtaststrahls getroffen werden kann. Das geschilderte Verfahren kann auch bei der Herstellung von npn-Strukturen durchgeführt werden, indem gleichzeitig oder nacheinander andere Stoffe, z. B. Phosphor und Gallium, eindiffundiert werden. Die η-Leitfähigkeit aufweisende Oberflächenschicht der Diffusionsgebiete, die von dem Abtaststrahl getroffen wird und jeweils den Emitter eines Mosaikelementes bildet, hat von den drei Gebieten die größte Dosierung, während das Ursprüngliche Material der Scheibe mit der geringsten Dosierung den Kollektor bildet.

Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung einer Auftreffplatte werden auf einer n-Leitfähigkeitsschicht Oberflächenschichten mit p- bzw. n-Leitfähigkeit angebracht. Auf diese Weise erhält man eine Struktur mit ununterbrochenen Schichten geringer Stärke, wobei in der Stärkenrichtung n- und p-Leitfähigkeit auf einer n-Typ-Oberfläche erhalten wird. Mittels einer photoempfindlichen Schicht und einer Maske mit geeignetem Muster von Öffnungen nach dem vorstehend geschilderten Verfahren können durch eine Säure bestimmte, einem Gitter folgende Gebiete der Oberflächenschichten der p- und n-Leitfähigkeit scharf weggebeizt werden, wodurch das gewünschte Mosaik erhalten wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kameraröhre mit einer durch einen Elektronenstrahl abzutastenden strahlungsempfindlichen Auftreffplatte aus halbleitendem Material in Berührung mit einer Signalelektrode, welche Auftreffplatte zwei in deren Stärkerichtung hintereinanderliegende, entgegengesetzt gerichtete pn-Übergänge hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte aus einem Mosaik gesonderter Elemente besteht, die aus je zwei Zonen halbleitenden Materials gleichen Leitfähigkeitstyps bestehen, die durch eine Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt sind, wobei höchstens die an der Signalelektrode angrenzende Zone einen Teil einer mehr oder weniger ununterbrochenen Schicht bildet, wobei weiter die Stärke der Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps kleiner ist als die effektive Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger darin.

2. Kameraröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte aus einer monokristallinischen Schicht besteht, auf der durch Diffusion voneinander getrennte Gebiete gebildet werden, die auf der Oberfläche den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erwähnte Monokristallschicht haben und tiefer eine Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen, welche Zonen die erwähnten Oberflächengebiete von dem ursprünglichen Material der monokristallinischen Schicht trennen.

3. Kameraröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte auf der Abtastseite mit einer einem Gittermuster folgenden Oxydschicht versehen ist, die die Oberflächenteile der Auftreffplatte zwischen benachbarten Diffusionsgebieten abdeckt.

4. Verfahren zur Herstellung der Auftreffplatte einer Bildaufnahmeröhre nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite eines flächenhaften mono- to kristallinen Körpers aus oxydierbarem halbleitendem Material von bestimmtem Leitfähigkeitstyp im Negativ des Musters der gewünschten Mosaikelemente in einem Oxydationsprozeß mit einer Oxydschicht des halbleitenden Materials versehen wird und daß in den nicht von dieser Oxydschicht abgedeckten, räumlich voneinander getrennten Gebieten der Oberflächenschicht des halbleiten-

den Materials zwei Arten von Fremdatomen verschieden tief eindiffundiert werden, wobei die am tiefsten eindiffundierte Art von Fremdatomen geeignet ist, den ursprünglichen Leitfähigkeitstyp in sein Gegenteil umzuwandeln, während die Art der anderen, weniger tief eindiffundierten Fremdatome in der Oberflächenzone des Diffusionsgebietes den ursprünglichen Leitfähigkeitstyp des halbleitenden Materials beibehalten läßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht im Negativ des Musters der gewünschten Mosaikelemente mittels einer Lokalätzung einer ursprünglich die ganze betreffende Seite abdeckenden Oxydschicht des halbleitenden Körpers erhalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 908 835.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen