DE1281587B

DE1281587B - Den Tunneleffekt ausnutzende Elektronenquelle

Info

Publication number: DE1281587B
Application number: DEG41250A
Authority: DE
Inventors: Leroy Apker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-08-05
Filing date: 1964-08-03
Publication date: 1968-10-31
Also published as: GB1069536A; US3214629A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WTWWS PATENTAMT Int. Cl.:

HOIj

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-13/20

Nummer: 1281587

Aktenzeichen: P 12 81 587.1-33 (G 41250)

Anmeldetag: 3. August 1964

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenquelle für Vakuumgeräte/ die die Erscheinung des Tunneleffektes ausnutzt.

Eine Elektronenquelle, die im Vakuum Elektronen emittiert und doch keine hohe, mit einem hohen Energieverlust verbundene Betriebstemperatur benötigt, wird auf vielen Gebieten der wissenschaftlichen Forschung nicht nur in Vakuumröhren, sondern auch in anderen evakuierten, eine Elektronenquelle benötigenden Vorrichtungen, z. B. Spektrographen, Ionenzählern, Kathodenstrahlröhren, Magnetrons, Klystrons u. dgl., angewendet.

Eine bekannte Vorrichtung, die den Tunneleffekt ausnutzt, ist die Tunneldiode, die aus einem entarteten p-leitenden Halbleitermaterial besteht, das mit einem entarteten η-leitenden Halbleitermaterial durch einen schmalen pn-übergang verbunden ist, dessen Dicke _ etwa bei 150 Ä liegt. Der Übergang ist klein, damit die Elektronen aus dem η-leitenden Halbleiter unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes durch den verbotenen Bereich des Übergangs tunneln können. Bei einer weiteren, den Tunneleffekt ausnutzenden bekannten Vorrichtung, die auch als Elektronenquelle in Vakuumgeräten verwendet werden soll, sind zwei metallische Schichten durch ein Isoliermaterial getrennt, dessen Dicke in oder unter der Größenordnung der mittleren freien Weglänge eines Elektrons in dem isolierenden Material liegt.

In einer solchen Vorrichtung tunneln die Elektronen vom oberen Rand des Fermi-Bandes der ersten Metallschicht durch den Isolator hindurch und treten in die zweite Metallschicht ein. Wenn die zweite Metallschicht dünn ist, treten einige Elektronen in den evakuierten Bereich aus. Der Anteil der tunnelnden Elektronen, der in die zweite Metallschicht eintritt und dessen Energie zum Austreten ausreicht, ist jedoch klein. Infolge einer Elektronenstreuung innerhalb der zweiten Metallschicht wird der Anteil der Elektronen weiter vermindert, der die Vakuumgrenzschicht mit einer solchen Energie erreicht, daß er die Sperre überwindet.

Das Ergebnis dieser beiden nachteiligen Erscheinungen besteht darin, daß die Wirksamkeit einer Vorrichtung, die einen Metall-Isolator-Metall-Tunneleffekt ausnutzt, als Elektronenquelle in Vakuum- - geräten wesentlich herabgesetzt ist. Bei einer etwas verbesserten Ausführungsform wird eine Dipolschicht ·* angewendet, die aus einer einlagigen Schicht eines *· Absorbers (Caesium oder orientiertes Bariumoxid) auf der äußeren Fläche einer weiteren Metallschicht besteht, weil an der Vakuumgrenzschicht eine verminderte "* Sperrhöhe erreicht wird.
Bei einer den Tunneleffekt ausnutzenden' Elektro-

Den Tunneleffekt ausnutzende Elektronenquelle

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Leroy Apker, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. August 1963 (299 995)

nenquelle für Vakuumgeräte mit einer Halbleiterschicht, die gegenüber einer weiteren η-leitenden Halbleiterschicht durch ein isolierendes Material von einer Dicke

as in der Größenordnung der mittleren freien Elektronenweglänge in diesem Material oder von geringerer Dicke getrennt ist, und mit elektrischen Anschlüssen an den Halbleiterschichten werden nach der Erfindung weit bessere Ergebnisse dadurch erreicht, daß das Halbleitermaterial der einen Schicht, die die Oberfläche der Elektronenquelle bildet, Cs₃Sb, Rb₃Sb, Rb₂Te, K₃Sb und bzw. oder (Cs)Na₂KSb ist.

Diese äußere Schicht besteht vorzugsweise im wesentlichen aus Cs₃Sb. Ein leitendes Gitter kann mit der äußeren Oberfläche dieser Schicht verbunden und auf ihr angeordnet sein.

Die andere zweite Schicht besteht vorzugsweise im wesentlichen aus η-leitendem, .bis zur Entartungskonzentration dotiertem Silicium. Die Isolations- schicht, die diese Siliciumschicht von der erstgenannten Schicht trennt, besteht vorzugsweise aus SiO₂, und ihre Dicke liegt in oder unter der Größenordnung von 150 Ä.

Wenn zwischen den beiden Halbleiterschichten eine geeignete Spannung anliegt, dann gelangen die Elektronen von der η-leitenden Halbleiterschicht über die dünne Isolationsschicht zur äußeren Halbleiterschicht, wo sie aus der äußeren Oberfläche in das Vakuum austreten. Die η-leitende, bis zur Entartungskonzentration dotierte Halbleiterschicht dient dabei als reichlicher Vorrat für Elektronen von hoher Energie, so daß möglichst viele Elektronen hoher Energie durch

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die Isolationsschicht in die äußere Halbleiterschicht dern es wird der m das Vakuum austretende Anteil an gelangen. Da die Elektronenaffinität, d. h. die Energie- Elektronen relativ zu einer zweiten Metallschicht differenz zwischen der Unterkante des Leitungsbandes (z. B. aus Gold) vergrößert, wobei der Anteil an Elekan der Oberfläche und dem Vakuumniveau der bei- tronen, der die Vakuum-Grenz- und -Sperrschicht spielsweise aus Cs₃Sb bestehenden äußeren Halbleiter- 5 überwindet, normalerweise in der Größenordnung von schicht geringer als das verbotene leere Band ist, be- 10 % oder weniger liegt.

steht eine große Wahrscheinlichkeit, daß möglichst viele In Fig. 1, die schematisch den Aufbau einer

Elektronen an der Vakuumgrenzfläche austreten. Da Elektronenquelle gemäß der Erfindung zeigt, ist ein ferner die Diffusionslänge in dem äußeren Halbleiter Teilschnitt durch einen evakuierten Bereich 1 zu sehen, groß ist, nimmt die EleKtronenstreuung ab. Dies ist der io der von einer hermetisch abgedichteten Hülle 2 be-FaIl, weil die Elektronen, deren Energie im Leitungs- grenzt ist, die einen Abschnitt 3 enthält, der eine Elekband geringer als im leeren Band ist, nicht an den tronenquelle festhält. Die Hülle 2 kann z. B. aus Glas Elektronen des Valenzbandes streuen können. Daher . oder Quarz aufgebaut sein, wie es in der Vakuumerreicht eine sehr große Anzahl von Elektronen die röhrentechnik üblich ist. Außerdem kann die Hülle 2 Vakuumgrenzfläche mit einer Energie, die zur Über- 15 verschiedene den Strom steuernde und sammelnde windung der Sperre an der Grenzfläche ausreicht, so Elektroden (nicht gezeigt) und das Gitter und die daß sich eine wirksame Emission ins Vakuum ergibt. Anode einer üblichen Vakuumröhre enthalten; in

. Der Aufbau und das Betriebsverhalten der Elektro- diesem Fall kann der die Elektronenquelle halternde nenquelle gemäß der Erfindung werden an Hand von Abschnitt 3 in unterschiedlicher Weise als Unterläge, Figuren näher erläutert. '·'-'-'■ '· ao Steg oder Kopfstück bezeichnet werden.'

Fig. 1 zeigt.eine Elektronenquelle gemäß der. Er- In dem evakuierten Bereich'-befindet sich-eine Elek-

findung in einer evakuierten Hülle; , tronenquelle 4, bestehend aus einer Halbleiterschicht 5

Fig. 2 ist ein Energieniveaudiagramm und zeigt die und einer weiteren Halbleiterschicht 6; diese beiden physikalischen Bedingungen während des Betriebes Schichten sind durch eine isolierende Schicht 7 geder bevorzugten- Ausführungsform der Elektronen- 25 trennt, deren Dicke der mittleren freien Weglänge der quelle nach der Erfindung. . -. Elektronen entsprichtoder 'geringer alsdiese ist. ϊ

Zu der Gruppe von Halbleitern^ die für die die Ober- Μ Fi g. 1 sind Anschlüsse diner elektrischen^: Schal·

fläche der Elektronenquelle bildende halbleitende rung an die halbleitenden Schichten 5 und 6 dargestellt; Schicht der Elektronenquelle gemäß der Erfindung die als elektrische Leiter 8 und 9 durch die HMe 2 in verwendet werden, gehören Cs₃Sb, Rb₃Sb, Rb₂Te, 30 den evakuierten Bereich 1 hineingehen, in dem sie mit K₃Sb und (Cs)JSTa₂KSb, das sind Halbleitermaterialien, den Schichten 5 und 6 verbunden sind. Ein leitetfdesGitderen Elektronenaffinität beträchtlich geringer als das ter kann über der Halbleiterschicht 6 angebracht sein; leere Band oder, anders ausgedrückt, der Bandabstand damit die Leitfähigkeit zur Seite verbessert wird. Das ist. Das leere Band des gewählten Halbleiters liegt leitende Gitter kann in verschiedener Weise hergestellt; vorzugsweise zwischen 2 und 4 eV. Isolatoren mit 35 z.B. als leitendes Material-über eine Blende' aufgrößeren Bandabständen oder leeren Bändern sind gedampft sein: Um das Vakuum im evakuierten nicht geeignet. Wenn auch alle zuvor erwähnten Halb- Bereich 1 aufrechtzuerhalten, sind die Leiter 8 und 9 in leitermäterialien mit Vorteil einzeln oder in Kombi- an sich bekannter Weise am Durchgangspunkt durch nation mit anderen Halbleitermaterialien Anwendung die Hülle 2 hermetisch abgedichtet: Die Elektronenfinden können, so bevorzugt man doch bei der Elek- 40 quelle 4 kann von den Leitern 8 und 9 festgehalten tronenquelle gemäß der Erfindung Cs₃Sb, weil dieses werden oder auch mit einem reaktionsunfähigen Klebe-Material, wie man herausgefunden hat, eine besonders mittel am Abschnitt 3 befestigt sein.,
wirksame Elektronenquelle liefert. Dieses Material Die Leiter 8 und 9 sind außerhalb der Hülle mit je

weist eine geringe Elektronenaffinität und große Wan- einer Klemme 10 oder 11 verbunden, an denen eine derungslängen für Elektronen von hoher Energie im 45 Stromquelle angeschlossen ist, deren Spannung zur Leitungsband auf, wenn die Energien geringer als das Herbeiführung des Tunneleffektes für diejenigen leere Band von etwa 2 eV sind. Die Elektronen, die Elektronen ausreicht, die von der Halbleiterschicht 5 infolge des Tunneleffektes von der ersten Schicht aus- durch die isolierende Schicht 7 zur Halbleiterschicht 6 gehen und deren Energie größer als 2 eV ist, werden tunnehisollen.DieElektronenemissionausderSchichtö schnell durch Paarbildung im Leitungsband verringert, 50 in dea evakuierten Bereich 1 hinein kann dadurch beworauf sie nicht weiter abnehmen, wenn man von einflußt werden, daß die an den Klemmen 10 und 11 relativ schwachen Prozessen, z. B. der Gitterstreüungj liegende Spannungsquelle moduliert wird,
absieht. Ein großer Anteil der tunnelnden Elektronen Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der

erreicht die Vakuum-CssSb-Grenzschicht. Zusätzlich Elektronenquelle nach der Erfindung ist die Elektronenwerden die Elektronen an dieser Vakuumgrenzschicht 55 quelle 4 aus einer η-leitenden, bis zur Entartungsbei Überwindung der Sperre unterstützt, da das nor- konzentration dotierten Siliciumschicht, der isolierenmalerweise p-leitende Cs₃Sb an der Grenzschicht den Siliciumdioxidschicht 7 und der oberen Schicht 6 weniger p-leitend wird. Das sich ergebende elektrische aus Cs₃Sb aufgebaut. Dieser Aufbau wird zweckmä-FeId trägt zum Austritt der Elektronen in das Vakuum ßigerweise dadurch hergestellt, daß in einem Körper dadurch bei, daß es die Elektronen in Richtung des 60 aus hochgradig reinem Silicium eine η-leitende VerVakuums beschleunigt. unreinigung, z. B. Antimon, Arsen oder Phosphor,

Durch Messung der Ausbeute bei der photoelek- eindiffundiert wird. Andererseits kann der Siliciümtrischen Emission hat man bemerkt, daß mehr als 20 % kristall aus einer Schmelze gezüchtet werden, die reich Elektronen, die die CssSb-Vakuum-Grenzschicht er- an Donatorverunreinigungen ist. Anschließend wird reichen, in das Vakuum austreten. Somit wird ein 65 der Siliciumkörper in einer Sauerstoff atmosphäre auf bedeutsamer Vorteil gegenüber den bekannten Vor- eine Temperatur Von etwa 140° C ungefähr 5 bis richtungen nicht nur im Hinblick auf die Zahl der die 20 Stunden lang erhitzt, damit sich eine dünne SiIi-Grenzschicht erreichenden Elektronen erzielt, son- ciumdioxidschicht in einer Dicke von etwa 100 Ä oder

weniger ergibt. Diese Dicke ist geringer als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im isolierenden Siliciumoxid, das 150 Ä übersteigt. Auf diese Weise werden die Schiebt 5 aus η-leitendem, entartetem Silicium und die isolierende Schicht 7 aus Siliciumdioxid gebildet.

Anschließend wird auf der äußeren Fläche der isolierenden Schicht 7 in an sich bekannter Weise Cs₃Sb niedergeschlagen. Vorzugsweise wird die Schicht 6 dadurch aufgebracht, daß in einer Caesiumatmosphäre bei einer Temperatur von 100 bis 170° C 10 Minuten bis 1 Stunde lang Antimon (Sb) verdampft wird. An den Schichten 5 und 6 werden die elektrischen Anschlüsse von aufgedampften Metallen oder in anderer Weise gebildet.

F i g. 2 zeigt ein Energieniveaudiagramm der Elektronenquelle aus Si—SiO₈—Cs₃Sb. Über dem Einfluß eines elektrischen Feldes, das mit Hilfe einer Spannungsquelle von etwa 1 bis 10 V an den Klemmen 11 (positiv) und 10 (negativ) aufrechterhalten wird, verlassen die Elektronen einen mit ihnen dicht bevölkerten Bereich 12 des Leitungsbandes im Silicium, tunneln durch die dünne isolierende Schicht aus SiO₂ hindurch, laufen durch die Halbleiterschicht aus Cs₃Sb hindurch und überwinden die sperrende Grenzschicht zum Vakuum, falls ihre Energie zum Austritt ins Vakuum ausreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Den Tunneleffekt ausnutzende Elektronenquelle für Vakuumgeräte mit einer Halbleiterschicht, die gegenüber einer weiteren n-leitenden Halbleiterschicht durch ein isolierendes Material von einer Dicke in der Größenordnung der mittleren freien Elektronenweglänge in diesem Material oder von geringerer Dicke getrennt ist, und mit elektrischen Anschlüssen an den beiden Halbleiterschichten, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der einen Schicht (6), die die Oberfläche der Elektronenquelle bildet, Cs₃Sb, Rb₃Sb, Rb₂Te, K₃Sb und/oder (Cs)Na₂KSb ist.

2. Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese äußere Schicht (6) im wesentlichen aus Cs₃Sb besteht.

3. Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitendes Gitter mit der äußeren Fläche dieser Schicht (6) verbunden und auf dieser angeordnet ist.

4. Elektronenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere zweite Schicht (5) im wesentlichen aus η-leitendem, bis zur Entartungskonzentration dotiertem Silicium besteht und daß die sie von der erstgenannten Schicht (6) trennende Isolationsschicht aus SiO₂ besteht und ihre Dicke (7) in oder unter der Größenordnung von 150 Ä liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift 3 056 073.

Hierzui Blatt Zeichnungen

809 629/1167 10.68 Q Bundesdruckerei Berlin