DE1564401A1

DE1564401A1 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes

Info

Publication number: DE1564401A1
Application number: DE19661564401
Authority: DE
Inventors: Klasens Hendrik Anne; Pieter Zalm
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-04-22
Filing date: 1966-04-22
Publication date: 1969-10-02
Also published as: NL6505085A; GB1147883A; ES325709A1; NL150609B; BE679967A; DE1564401C3; DE1564401B2; SE312382B; BR6678830D0; JPS499255B1; CA923960A

Description

.Dipl.-Ing. ERICH E. WALTHER

Patentanwalt
Anmelder: M. V. PHILIPS' GLOBLAMPENFABRIEKEN

Akte: PHTI- «?f
Anmeldung voror PP. -"-pril 1Q66

NoVcPhilips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland "Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper enthält, auf dessen Oberfläche ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halbleiterkörpers p-Typ-Leitung aufweist und dieser Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist ο

Es gibt zwei Haupttypen von Vorrichtungen zum Erzeugen eines Elektronenstromes mittels einer Kathode_o

Einer dieser Haupttypen umfaßt die Vorrichtungen mit einer warmen Kathode₀ Die meisten Elektronenröhren gehören dazuo Eine warme Kathode hat den Nachteil, daß sie zur Erzeugung eines Elektronenstromes geheizt werden muß, wozu eine Heizquelle notwendig istο Auch weist eine solche Kathode infolge der- zum Aufheizen'bzw· Abkühlen der Kathode beanspruchten Zeit Trägheitserscheinungen beim Ein- und Ausschalten auf₀ Um die in der Praxis unbequeme Heizqueile überflüssig zu machen und die erwähnten Trägheitserscheinungen zu vermeiden, suchte man bereits lange nach einer guten kalten Kathode»

Vorrichtungen mit einer kalten Kathode stellen den zweiten Haupttyp dar„ Bei diesen. Vorrichtungen wurden anfänglich mittels eines starken äußeren elektrischen Feldes Elektronen aus einer

pm-826 909840/0768 "²"

Ί564Α01

zugespitzten und nicht geheizten Kathode herausgezogen» Durch das erforderliche äußere starke elektrische Feld ist die Anwendung dieser kalten Kathode besonders beschränkt und hat man nach einer kalten Kathode gesucht, bei der dieses starke äußere elektrische feld vermieden werden kann.

Dies hat zu Vorrichtungen geführt, die aus einer kalten Kathode mit einem Halbleiterkörper bestehen,, Joseph A₀ Burton hat solche Vorrichtungen bereits im Jahre 1955 vorgeschlagen und beschreibt einige Ausführungsbeispiele in der U₀S«Patentschrift 2.960.659·

Nach diesen Ausführungsbeispielen besitzt der vorzugsweise aus Germanium oder Silicium bestehende Halbleiterkörper einen p-n-Übergang, der in der Sperrichtung vorgespannt wird, um mittels des Potentialunterschieds über den sperrend vorgespannten p-n-Übergang Elektronen zu hohen kinetischen Energien zu beschleunigen.

Die hohe kinetische Energie der Elektronen macht das Austreten aus der Oberfläche des n—Typ-Teiles des Halbleiterkörpers für einige Elektronen mögliche Das Austreten der Elektronen wird durch einen auf die Oberfläche des n-Typ-Teiles aufgebrachten . Belags aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff begünstigte

Bei einem ersten Typ von Ausführungsbeispielen besitzt der Halbleiterkörper nur einen in der Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergang, wobei die Sperrspannung so groß gewählt wird, daß lawinen-Ionisation auftritt, wobei die Elektronen eine hohe kinetische Energie bekommen« Ein Nachteil dabei ist, daß ein p-n-Übergang, bei dem lawinen-Ionisation homogen längs des p-n-Übergangsbereiches erzielt werden kann, schwer herstellbar ist,, da eine kleine Unregelmäßigkeit im p-n-übergangsbereioh die Lawinen-Ionisation stellenweise hervorruft, wodurch die Kathode leicht unbrauchbar wird»

9O9840/O7&S -

Bei einem zweiten Typ von Ausfuhrungsbeispielen hat der Halbleiterkörper eine n-p-n-Struktur mit zwei p-n-tjbergängen, von denen einer in der Sperrichtung und der andere in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist₀ Mittels des in der Vorwärtsrichtung vorgespannten p-n-Übergangs werden Elektronen in die Umgebung des in der Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergangs injiziert und dort .infolge des Potentialabfalls an diesem p-n-Übergang beschleunigt, so daß sie eine hohe kinetische Energie bekommene Dabei braucht keine Lawinen-Ionisation aufzutreten, es ist jedoch ein zweiter p-n-Übergang notwendig,»

Beide Gruppen von Ausführungsbeispielen haben aber den Nachteil, daß in der Praxis nur ein geringer Teil der beschleunigten Elektronen mit hoher kinetischer Energie austritt, so daß Vorrichtungen nach der erwähnten amerikanischen Patentschrift mit einer einen Halbleiterkörper enthaltenden kalten Kathode eine niedrige Ausbeute aufweisen., Kalte Kathoden werden deshalb noch immer nicht in nennenswertem Umfang angewendet.

In der U₀S«Patentschrift Nr₀ 2_o960_o659 wird nach der Beschreibung der Ausführungsbeispiele noch die Bemerkung gemacht, daß Elektronenemission auch mittels hoher Spannungen in der Vorwärtsrichtung statt in der Sperrichtung erzielt werden kann« Ein konkretes Ausführungsbeispiel wurde dabei aber nicht beschrieben oder angegebeno

Die Erfindung bezweckt unter anderem, die Ausbeute von Vorrichtungen zum Erzeugen eines Elektronenstromes, die eine kalte Kathode mit einem Halbleiterkörper enthalten, beträchtlich zu erhöhen und das Beschleunigen von Elektronen im Halbleiterkörper mittels angelegter hoher Vorspannungen, um den Elektronen eine hohe kinetische Energie zu erteilen, überflüssig zu machen_o

Die Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, daß die in der erwähnten U.SoPatentschrift vorgeschlagenen Konfigurationen, bei denen die Elektronen wenigstens zur Hauptsache über

909840/0768

M 4 ^M

eine Oberfläche des n-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers austreten, auf welche der die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzende Belag aufgebracht ist, eine verhältnismäßig niedrige Ausbeute haben, da die effektive Elektronenaffinität eines n-Typ-Halbleiters mittels eines die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belags nicht ausreichend herabgesetzt werden kann, so daß nur ein verhältnismäßig geringer Prozentsatz, gewöhnlich weniger als 1 $o, der beschleunigten Elektronen austreten kann, auch wenn die Elektronen mittels eines in der Sperrichtung vorgespannten p-n—Übergangs eine hohe kinetische Energie bekommen· Die effektive Elektronenaffinität ist der energetische Abstand zwischen dem Vakuumpegel und der Unterseite des Leitungsbandes (außerhalb der an die Oberfläche grenzenden Zone des Körpers, in der eine Bandkrümmung auftreten kann) im Halbleitermaterial« Diese Umschreibung der effektiven Elektrodenaffinität wird nachstehend noch näher besprochen werden«,

Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß die effektive Elektronenaffinität eines p-Typ-Halbleiters mittels eines die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belags beträchtlich weiter herabgesetzt werden kann als die eines n-Typ-Halbleiters«

Weiter basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, daß bei einer richtigen Kombination von Materialien für den p«~Ty/p-Halbleiter und den Belag, nämlich einer Kombination, bei der die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Permipegel und dem
Boden des Leitungsbandes im p-Ty/p-Halbleitermaterial, die Elektronen-Aus trittsarbeit für in das p-Iyp-Halbleitermaterial injizierte und im Leitungs-Band befindliche Elektronen praktisch beseitigt werden kann₀

Nach der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines
Elektronenstromes, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper enthält, auf eine Oberfläche desselben ein Belag aus einem die

909840/0768

Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halbleiterkörpers p-Typ— leittmg aufweist, und dieser Teil wenigstens zwei elektrische Anschluss;© besitzt, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist, das Kennzeichen auf, daß der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, und der Belag und der p-Typ-Teil aus Materialien besteheni bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil, so daß vom injizierenden Anschluß aus in den p-Typ-Teil injizierte Elektronen über die bedeckte Oberfläche des p-Typ-Teiles austreten können und Mittel vorgesehen sind, um den injizierenden Anschluß in der Vorwärtsrichtung vorzuspannen.

Bemerkt wird, daß hier unter Elektronen-Austrittsarbeit- des aufgebrachten Belags die Energie verstanden wird, die der langwelligen G-renzwellenlänge entspricht, bei der bei photoelektri» 3Cher Emission die Emission von Elektronen beginnt₀ Diese Energie gibt praktisch den Abstand zwischen dem lermi-Pegel und dem Vakuumpegel an₉ Das eine und das andere wird nachstehend noch näher erläutert.

Man kann Beläge aus verschiedenen, die Elektronen-Austrittsar« beit herabsetzenden Materialien, z.B. aus verschiedenen Alkalimetallen, auf Halbleiterkörper aus verschiedenen Halbleitermaterialien aufbringen und für diese Beläge photoelektrisch die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags messen, worauf zur Anwendung in einer Vorrichtung naoh der Erfindung eine Kombination eines Halbleitermaterials und eines die Elektronenaustritt sarbeit herabsetzenden Materials gewählt wird, wobei die Breite des verbotenen Energiebandes des betreffenden Halbleitermaterials praktisch gleich oder größer ist als die Austrittsarbeit des betreffenden, die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materials* '

909840/0368 * 6 *

Ist die Breite des verbotenen Energiebandes des betreffenden Halbleitermaterials praktisch gleich oder größer als die Elektronen-Aus trittsarbeit des betreffenden Belags, so kann einfach durch Dotierung des Halbleitermaterials mit einer ausreichend großen Konzentration an Akzeptoren (p-Typ-Leitung) der Abstand zwischen dem Fermipegel im verbotenen Energieband und dem Boden des Leitungsbandes auch praktisch gleich oder größer als die Elektronen-Austrittsarbeib des betreffenden Belags gewählt werden, wodurch das Halbleitermaterial in Kombination mit dem Belag in einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendbar ist„

Es iöt einleuchtend, daß der Abstand zwischen der Stelle, an der Elektronen in den p—Typ-Teil injiziert werden, und der bedeckten Oberfläche des p-Typ-Teiles, an der die Elektronen austreten sollen, klein genug sein muß, damit die Elektronen diesen Abstand zurücklegen können, genau wie Z₀B₀ bei einem Transistor gilt, daß die Stärke der Basiszone klein genug sein muß, damit die von der Emitterelektrode injizierten Elektronen die Kollektorelektrode erreichen können. E¹Ur diesen Abstand gilt daher eine Bedingung ähnlich der für die Stärke der Basiszone eines Transistors, nämlich daß dieser Abstand höchstens gleich der Biffusions-Rekombinationslänge der Elektronen im p-Typ-Teil ist«,

Infolge des auf den p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aufgebrachten Belags tritt bei der bedeckten Oberfläche im p^-Typ-Teil Bandkrümmung auf, wobei der Fermipegel in Richtung zur bedeckten Oberfläche näher am Leitungsband zu liegen kommt« Da in der Zone bei der bedeckten Oberfläche, in der diese Bandkrümmung auftritt, die im Leitungsband befindlichen injizierten Elektronen Energie verlieren können, wodurch das Austreten erschwert wird, ist es erwünscht, daß der Abstand von der bedeckten Oberfläche ab, über den diese Bandkrümmung auftritt, klein ist, z.B₉ kleiner als 300 Ä und sogar kleiner als 200 £. Dieser Abstand ist klein bei einer hohen Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil und eine wichtige Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß die Akzeptorkonzentration, wenigstens in der Nähe der bedeckten

909840/0788

·. 7 Φ-

18

Oberfläche im ρ—Typ-Teil wenigstens 10 Akzeptoren pro ecm beträgt« Vorzugsweise beträgt die Akzeptorenkonzentration sogar wenigstens 10 ^ Akzeptoren pro conu

Bemerkt wird, daß mit dem Abstand zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes der Abstand im p-Typ-Teil außerhalb der Zone gemeint wird, in der die erwähnte Bandkrümmung auftrittο Wie gesagt, ist dieser Abstand in hochdotiertem p-Typ-Material häufig praktisch gleich der Breite des verbotenen Bandes₀

Mit Rücksicht auf eine maximale Herabsetzung der effektiven Elektronenaffinität besteht vorzugsweise wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,2 eV und besonders gute Ergebnisse wurden mit Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,3 eV erreichte

Wenigstens der p-Typ-Teil kann vorteilhaft aus einer Aj-j-j-By-Verbindung oder aus einem Mischkristall solcher Verbindungen bestehen,,

Der Belag kann vorteilhaft aus einem Alkalimetall, vorzugsweise Cäsium, oder aus einem Erdalkalimetall, vorzugsweise Barium, bestehen,.

Als
/besonders günstige Kombinationen erweisen sich diejenigen, bei denen der p-Typ-Teil aus Galliumarsenid (Breite des verbotenen Energiebandes etwa 1,4 eV) und der Belag aus Cäsium (Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags etwa 1,4 eV) bzw· der p-Typ-Teil aus Galliumphosphid (Breite des verbotenen Energiebandes etwa 2,3 eV) und der Belag aus Cäsium oder Barium (Elektronen-Austrittsarbeit kleiner als 2,3 eV) besteht. Ein günstiger Akzeptor für den p-Typ-Teil ist Z₀B₀ Zink, das leicht in großer Konzentration eingebaut werden kann,,

. »· 8 w

909840/0768

In verschiedenen Fällen erweist es sich aber als günstig, wenn der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen tiefliegenden Akzeptorpegel im verbotenen Energieband hervorrufen, ZoB₀ einen Akzeptorpegel in einem Abstand von wenigstens 0,3 eV, vorzugsweise wenigstens 0,4 eV vom Valenzband«, Akzeptoren mit einem tiefliegenden Akzeptorpegel werden zu einem kleineren Teil ionisiert sein als Akzeptoren mit einem näher zum Valenzband liegenden Akzeptorpegel, wodurch eine geringere Konzentration an freien Löchern im Valenzband auftritt, was im allgemeinen der Injektion von Elektronen in den p-Typ-Teil zuträglich iste Ein wichtiges Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen tiefliegenden Akzeptorpegel erzeugen, der in einem Abstand von wenigstens 0,3 eV, vorzugsweise wenigstens 0,4 eV vom Valenzband liegt«,

In diesem Zusammenhang können, falls der p-Typ-Teil aus Galliumphosphid besteht, die Akzeptoren vorteilhaft aus Kupfer bestehen. Kupfer verursacht einen Akzeptorpegel in einem Abstand von etwa 0,5 eV vom Valenzband.

Für die Injektion von Elektronen in den p-Typ-Teil kann vorteilhaft einfaoh ein in der Vorwärtsrichtung vorgespannter p—η-Übergang benutzt werden, und ein Ausführungebeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß der injizierende Anschluß einen mit dem p-Typ-Teil einen p-n-Übergang bildenden n-Typ-Teil des Halbleiterkörpers enthält, wobei weiterhin eine erste wichtige Gruppe von Ausführungsformen das Kennzeichen aufweist, daß der p-fjp-Teil von einer durch Diffusion eines Akzeptors erzielten 2kme gebildet wird, und eine zweite wichtige Gruppe von Äuafühjcungefuiimen das Kennzeichen aufweist, daß der p-Typ-Teil wenigstens teil»· weise von einer epitaxial angewachsenen HalbleiteBsöhiant gebildet wird₀

Mit Rücksicht auf eine gute Injektion kann vorteilina&t eine sogenannte Breitband-^üttaa^lefetrod^ verwendet werdfen.. wozu

ein weiteres sehr wichtiges Ausführungsbeispiel das Kennzeichen aufweist, daß die Breite des verbotenen Energiebandes des n-Typ-Teiles größer ist als die des p-Ty/p-Teiles» Ein Halbleiterkörper mit einem n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und einem p-Typ-Teil aus Galliumarsenid hat sich als besonders geeignet erwiesen»

Wie bereits oben ausgeführt worden ist, muß der Abstand zwischen der Stelle, an der Elektronen in den p-Typ-Teil injiziert werden, und der bedeckten Oberfläche des p-Typ-Teiles kleiner sein als die Diffusions-Rekombinationslange der Elektronen im p-Typ-Teil,, Im allgemeinen wird man den p-Typ~Teil mit Rücksicht auf eine hohe Elektronenemission technisch möglichst dünn wählen«, Dies kann zur Folge haben, daß der Schichtwiderstand des p-Typ-Teiles für mehrere Anwendungen störend groß sein kann_o Eine wichtige Ausführungsform weist daher das Kennzeichen auf, daß der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers auB einer Oberflächenzone mit einem zusammenhängenden rasterförmigen Muster von Verdickungen besteht α Die Verdickungen können Z₀Bo die Form eines Kammes, eines Gitters oder eines Netzwerkes haben«

Der injizierende Anschluß des p-Typ-Teiles braucht nicht ein n-Typ-Teil des Halbleiterkörpers der Kathode zu sein, der mit dem p-Typ-Teil einen p-n-Übergang bildet₀ Der injizierende Anschluß kann jeglicher injizierende Kontakttyp sein, ZoBo ein injizierender Spitzenkontakt oder ein injizierender Metallhalbleiterkontakt (Schottkey-Kontakt)₀

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektronenstrahlröhre, die mit einer Kathode mit einem Halbleiterkörper versehen ist, auf eine Oberfläche desselben ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halbleiterkörpers p-Typ-Ieitung aufweist und dieser Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist /geeignet zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung, welche das Kennzeichen aufweist,

909840/0768

1564A01

daß der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, und der Belag und der p-Typ-Teil aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil_e Naturgemäß sind die Kathode und die weiteren Elektroden dabei derart in der Röhre angeordnet, daß wenigstens zur Hauptsache nur aus dem p-Typ-Teil austretende Elektronen zur Wirkung der Röhre beitragen können«,

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispiel·en und den beiliegenden Zeichnungen näher erläuterte

Es zeigen:

Figur 1 ein Energiediagramm eines Halbleiterkörpers mit einem p-n-Übergangp

Figur 2 ein Beispiel eines Energiediagramms eines einen p-n-Übergang enthaltenden Halbleiterkörpers, auf den ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag aufgebracht ist, geeignet zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindungο

Fig, 3 und 4 zeigen einige weitere Energiediagramme von Halbleiterkörpern mit einem die Elektronen-Austrittsarbelt herabsetzenden Belag)

Fig. 5 schematisch und teilweise im Querschnitt ein Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung}

Fig. 6-8 und 10 - 11 schematisch und im Querschnitt in verschiedenen Herstellungsstadien ein Beispiel einer Kathode_{ zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung;},

/Figo 9 eine Draufsicht der Kathode nach !ig. 8, wobei Figo 8 ein Querschnitt gemäß der Linie YIII-Till der Figo 9 istj

T?igo 12 sehematisch und im Querschnitt ein Beispiel eines Halbleiterkörpers einer Kathode der Vorrichtung nach der Erfindung,,

Figo 1 zeigt auf übliche Weise das Energiediagramm eines Halbleiterkörper mit einem p-n-Übergang, bei dem die Elektronenenergie E vertikal aufgetragen ist_o Die unterbrochene linie P stellt den 3?ermi-Fegel im Halbleiterkörper dar, die linie A die Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers, Y den Vakuumpegel, d.h„ die Energie eines außerhalb des Halbleiterkörpers befindlichen freien Elektrons in Ruhe, auf welches durch den Kristall kein Einfluß ausgeübt wird, und X die Elektronenaffinität des Halbleiterkörpers, doh_e die Energie, die einem Elektron unten im Leitungsband zugeführt werden muß, um das Elektron über die Oberfläche A austreten zu lassen,,

Da X groß ist, ist es schwer, Elektronen über die Oberfläche A austreten zu lassen,, TJm eine angemessene Elektronenemission zu ermöglichen, muß der Energieunterschied zwischen dem Boden des Leitungsbandes und dem Vakuumpegel V herabgesetzt werden« Diese Herabsetzung kann durch Aufbringung eines Belags aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material auf den Halbleiterkörper erreicht werden,, Unter anderem wird nach der Erfindung dieser Belag auf einen p-Typ-Halbleiter aufgebracht, da bei einem p-Typ-Halbleiter die effektive Elektronenaffinitätfür im Leitungsband befindliche Elektronen weiter herabgesetzt werden kann als bei einem n—Qiyp-Leiter, wie sich nachstehend noch näher ergeben wird.

aufzubringende Belag: wird aus einem Mäteajia'l bestehen, dessen. Atome in an ^ der Oberfläche des Halbleiters adsorbiertem Zustand eine Ionisationsenergi'e T aufweisen» Itfird ein Atom dieses Materials an der Oberfläche A adso2?bier;% so liegt der Energiepegel 3 des bei Ionisierung vom Atom abgegebenen Elektrons in einem Abstand gleich I unter a«m Yakuumpeg:el Yo

909840/07S8

!HSFECTED -Wt^F: ·»-

Da der Halbleiterkörper in der Umgebung des Fermipegels mehrere unbesetzte Pegel aufweisen wird, bei einem p-Typ-Halbleiter z.B. mehrere Akzeptorpegel und mehrere oben im Valenzband, liegende Pegel, wird das Elektron des adsorbierten Atoms des Energiepegels 5 zu einem niedriger liegenden Energiepegel in der Umgebung des Fermipegels F springen· Das adsorbierte Atom wird dabei ionisiert.

Werden weitere Atome an der Oberfläche A adsorbiert, so ionisieren auch diese Atome und geben an das Halbleitermaterial Elektronen ab, die einen Pegel in der Umgebung des Fermipegels bei der Oberfläche A besetzen· Die abgegebenen Elektronen werden infolge von an der Oberfläche A vorhandenen positiv geladenen Ionen in der Umgebung der Oberfläche A im Halbleiterkörper bleiben·

Bei weiterer Adsorption wird die Elektronenbesetzung der verfügbaren Energiepegel in der Umgebung der Oberfläche A im Halbleiterkörper also stets größer, wodurch bei der Oberfläche A der Fermipegel F näher am Boden 2 des Leitungsbandes zu liegen kommt, während an der Oberfläche A der Fermipegel F mit dem Boden 2 des Leitungsbandes zusammenfallen kann· Der Fermipegel F wird den Boden 2 des Leitungsbandes praktisch nicht tiberschreiten, da im Leitungsband eine so große Dichte von Pegeln vorhanden ist, daß sogar bei Aufnahme einer sehr großen Anzahl Elektronen der Fermipegel F noch stets praktisch mit dem Boden des Leitungsbandes zusammenfällt.

Die Aufnahme von Elektronen durch den Halbleiterkörper hat somit zur Folge, daß an der Oberfläche A der Fermipegel F praktisch mit dem Boden 2 des Leitungsbandes zusammenfällt, während tiefer im Halbleiterkörper keine Änderungen auftreten· Dies führt zur Bandkrümmung bei der Oberfläche A·

Bemerkt wird, daß bei Halbleitern mit einer großen Dichte an Oberflächenpegeln der Belag keine oder praktisch keine zusätzliche Bandkrümmung gegenüber der in diesem Falle ohne Belag bereits vorhandenen Bandkrümmung herbeiführen wird«

909840/0768

- 13 «

Weiterhin entsteht'bei der Oberfläche A eine elektrische Doppelschicht γ die aufgenommenem Elektronen im Halbleiterkörper bei der Oberfläche A eine negative Raumladung hervorrufen, während dieian.d-e-r Oberfläche adsorbierten Ionen eine positive Ladung habeho'Der an dieser Doppelschicht auftretende Poten— tialabfall hat zur Folge, daß bei weiterer Adsorption von Atomen der Pegel 3 sich stets mehr dem Fermipegel F näherte Im Endzustand fällt der Pegel 3 mit dem Fermipegel F zusammen. Dies bedeutet, daß bei weiterer Adsorption die adsorbierten Atome nicht mehr ionisiert werden» Das diesem Endzustand entsprechende Energiediagramm ist von der Art wie in Fig« 2 dargestellt«, Dieser Endzustand ist bereits bei Adsorption einer ungefähr monoatomaren Schicht des die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materials erreichte Gewöhnlich ist sogar noch keine monoatomare Schicht notwendige

Die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags ist in Mg» 2 mit TJ bezeichnet«, TJ wird durch den Abstand zwischen dem Vakuumpegel V und dem Fermipegel F bedingte

Aus Fig» 2 ist deutlich ersichtlich, daß, wenn TJ etwa gleich oder kleiner ist als E™ (der Abstand-zwischen dem Fermipegel F im p-$yp-Teil des Halbleiterkörpers und dem Boden 2 des Lei-· tungsbandes) in den p-Typ-Teil injizierte und im Leitungsband befindliche Elektronen 4 praktisch ohne Energieaufnahme austreten können (sieh$ Pfeil 5 in fig, 2, in der TJ praktisch gleich Ep dargestellt_;;ist) · Elektronen können mittels eines injizierenden Anschlusses in den p-TJyp-Teil des Halbleiterkörpers injiziert werden. Hach Figo 2 besitzt der injizierende Anschluß einen mit dem p-Typ-Ieil einen p-n-Übergang bildenden n-Typ-Teil, wobei Elektronen in den p-Typ-Teil dadurch injiziert werden können, daß der p-n-Übergang in der Vorwärtsrichtung vorgespannt wird«, Da die in den p-Typ-^eil injizierten Elektronen 4 ohne weitere Energieaufnahme austreten können, ist eine gute Ausbeute bei Elektronenemission möglich,, .υηφ_:das An- . legen großer Spannungsunterschiedö'"zur Beschleunigung der Elek-._} tronen ist nicht mehr notwendig».--^ V ^'^ *?

909840/076* :

156A401

Wird der gleiche Belag auf einen n-Typ-Halbleiter aufgebracht (siehe Figo 3)» bei dem der Fermipegel F nahe am Leitungsband liegt, so tritt ein Endzustand ein, bei dem im Leitungsband befindliche Elektronen 4 viel Energie aufnehmen müssen, bevor sie austreten können (siehe den Pfeil 6 in Fig. 3)» Durch Anwendung des gleichen Belags ist U in beiden Fällen (Fig. 2 und Fig. 3) gleich groß. In Fig«, 3 müssen die Elektronen daher auf eine hohe kinetische Energie beschleunigt werden, bevor sie über die bekleidete Oberfläche B austreten können, und dies macht das Erreichen einer guten Ausbeute bei Elektronenemission besonders schwer. Die Situation wird bei Vorhandensein einer großen Dichte an Oberflächenpegeln dann noch ungünstiger»

Bemerkt wird, daß unter der bereits erwähnten effektiven Elek— tronenaffinität der energetische Abstand zwischen dem Vakuum— pegel V und dem Boden 2 des Leitungsbandes verstanden wird» In Fig. 1 ist die effektive Elektronenaffinität gleich X und in Figo 2 und 3 gleich U- E_pe Aus Fig. 2 und 3 ist deutlich ersichtlich, daß die effektive Elektronenaffinität bei Verwendung des gleichen Belags (U in beiden Fällen gleich) im Falle nach Figo 3 (Belag auf n-Typ-Halbleiter) größer ist als im Falle nach Figo 2 (Belag auf p-Typ-Halbleiter)₀

Figo 4 zeigt deutlichkeitshalber noch den Vakuumpegel V- bzw_e V^4 gegenüber dem Fermipegel F im p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers, falls ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag auf die Oberfläche A aufgebracht wird, deren adsorbierte Atome eine Ionisationsenergie I- haben und wobei U* größer als Ep ist, und falls ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag auf die Oberfläche A aufgebracht wird, deren adsorbierte Atome eine Ionisationsenergie I^ haben und wobei U.J.J kleiner als E« ist. Im ersten Falle-„können nur im Leitungsband vorhandene Elektronen mit einer hohen--kinetischen Energie austreten, im zweiten Falle tritt-eine solche Beschränkung nicht aufo ' ' ^3%Vi '-^il

■ o\ö&. - ₁₅

909840/07S8

Bemerkt wird (siehe ζ_οΒ_β Pig· 2), daß in den p-Typ*»Teil injizierte Elektronen 4, die sich zur bekleideten Oberfläche A bewegen, eine an der Oberfläche A angrenzende Zone passieren müssen, in der Bandkrümmung auftritt«, In dieser Zone können die Elektronen 4, im Leitungsband bleibend, Energie abgeben, wodurch das Austreten über die Oberfläche A erschwert oder unmöglich wird» Da die Zone mit Bandkrümmung sich nur über einen kurzen Abstand von der Oberfläche A her erstreckt, wird nur eine kleinere Anzahl Elektronen hier Energie abgeben₀ Um die Möglichkeit einer Energieabgabe durch injizierte Elektronen in der Zone mit Bandkrümmung besonders klein zu halten, erstreckt sich diese Zone vorzugsweise nicht weiter als über einen Abstand von 300 bis 200 S von der Oberfläche A herο Dieser Abstand ist klein bei einer hohen Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil und vorzugsweise beträgt die Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil, wenigstens bei der bekleideten Oberfläche A₉ mindestens 10 Akzeptoren/ccm oder sogar IO Akzeptoren/cenu

Die austretenden Elektronen müssen weiterhin den bei der Oberfläche vorhandenen Potentialberg passieren. Da dieser Poten~ tialberg sich im wesentlichen über einen sehr kurzen Abstand von höchstens wenigen Angström von der Oberfläche A her erstreckt (ungefähr über eine mono-atomare Schicht des Belags), hat dieser Potentialberg praktisch keinen Einfluß auf die austretenden Elektronen,,

Auf Grund der vorhergehenden Betrachtungen weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes mit einer Kathode 10 (siehe Figo 5), in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung schematisch und teilweise im Querschnitt dargestellt ist, mit einem Halbleiterkörper 11, auf eine Ober-. fläche 12 desselben ein Belag 13 aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil 14 des Halbleiterkörpers 11 p-Typ-Leitung aufweist, und dieser Teil 14 mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen 15 und (16,17) versehen ist, von denen wenigstens

909840/0768 „ ₁₆ „

einer (16,17) ein injizierender Anschluß ist, nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß der Belag 13 wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles 14 des Halbleiterkörpers 11 aufgebracht ist, und der Belag 13 und der p-Typ-Teil 14 aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit U des Belags 13 praktisch gleich oder kleiner ist als Ep, d.iu dem Abstand zwischen dem Fermi-Pegel F und dem Boden 2 des Leitungsbandes im p-Typ-Teil 14_t wodurch aus dem injizierenden Anschluß 0-6,17) in den p-Typ-Teil 14 injizierte Elektronen über die bekleidete Oberfläche 12 des p-Typ-Teiles 14 austreten können, und Mittel (die Spannungsquelle 18) vorhanden sind, durch die der injizierende Anschluß (16,17) in der Vorwärtsrichtung vorgespannt wird«

Der injizierende Anschluß (16,17) besteht im Ausführungsbeispiel nach Figo 5 aus einem mit dem p-Typ—Teil 14 einen p—n-Übergang 19 bildenden n-Typ-Teil 16, der mit einem Anschlußkontakt 17 versehen ist«

Das Ausführungsbeispiel nach Figo 5 betrifft eine Vorrichtung mit einer Elektronenröhre, welche die Kathode 10, das Steuergitter 20 und die Anode 21 enthält, welche von einer durch die unterbrochene Linie 22 angedeuteten Hülle umgeben sind» Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann aber jeglichen Elektronenröhrentyp, der normalerweise mit einer Kathode versehen ist, wie ein Klystron, eine Fernsehröhre, eine Penthode usw_e enthaltene

Mittel, durch die über die Klemmen 23 und 24 Vorspannungen an dem Steuergitter 20 und der Anode 21 angelegt werden und/oder _ω Signale dem Steuergitter und/oder der Anode zugeführt oder ^ entnommen werden, sind um die Übersicht zu erleichtern in Figo5 oo nicht dargestellt.

Q Wie gesagt, ist der p-Typ-Teil 14, wenigstens in der Umgebung -J der bekleideten Oberfläche 12, vorzugsweise stark dotiert,wobei

σ> la

oo die Akzeptorkonzentration wenigstens 10 Akzeptoren/com oder sogar wenigstens 1O19 Akzeptoren/ccm beträgt.

« 17 *·

Die über den p-n-Übergang 19 in den p-Typ-Ieil 14 injizierten Elektronen müssen die bekleidete Oberfläche 12 erreichen können und für die Stärke des p-Typ-Teiles 14 gilt daher die in der Halbleitertechnik übliche Bedingung für Zonen, die von injizierten Minoritätsladungsträgern durchlaufen werden müssen. Man denke Z₀B₀ an die Basiszone eines Transistors, nämlich, daß die Stärke des p-Typ-Teiles 14, d„ho der Abstand zwischen dem p-n-Übergang 19 und der bekleideten Oberfläche 12, kleiner ist als die Diffusions-Rekombinationslänge der Minoritätsladungsträger (Elektronen)_o

Bemerkt wird, daß Eingangssignale auch, Z₀B₀ mittels der Signalquelle 26, der Kathode 10 zugeführt werden können, so daß die Elektronenemission von der Kathode IO moduliert werden kann, und das Steuergitter 20 entbehrlich ist«

Zum Kombinieren der richtigen Materialien für den Halbleiterkörper und den Belag 13 der Kathode 10 einer Vorrichtung nach der Erfindung wird zunächst, insoweit nicht bekannt, bei die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materialien, Z₀B₀ Alkali-Metallen und Erdalkali-Metallen, die Elektronen-Austrittsarbeit U von angebrachten Belägen dieser Materialien auf verschiedenen Halbleitermaterialien gemessene

Die Elektronen-Austrittsarbeit TJ eines aufgebrachten Belags kann photoelektrisoh gemessen werden«» U ist nämlich praktisch die Energie, die der langwelligen Grenzwellenlänge entspricht, bei der die photoelektrische Emission von Elektronen beginnte

Die minimale Energie, die in dem an der bekleideten Oberfläche (A in Fig» 2 und 4, B in Fig. 3) angrenzenden !Teil des Halbleiterkörpers vorhandene Elektronen aufnehmen müssen, um über die bekleidete Oberfläche austreten zu können, ist nämlich praktisch der energetische Abstand zwischen dem Fermi-Pegel F und dem Vakuumpegel V, also U, da im Halbleiterkörper vorhandene Elektronen mit der hö-chsten Energie Energie-Pegel beim

909840/0768 - 18 -

156UQ1

Fermi-Pegel F besetzen«, Die Energie, die auffallende Strahlung an Elektronen abgeben kann, nimmt bei abnehmender Wellenlänge der auffallenden Strahlung zu, wodurch die langwellige Grenzwellenlänge, bei der die photoelektrische Elektronenemission beginnt, der Energie TJ entspricht ₀

Die Breite des verbotenen Energiebandes von praktisch sämtlichen bekannten Halbleitermaterialien ist bekannt und man wählt nun ein Halbleitermaterial und ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzendes Material, bei denen die Breite des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials praktisch äLeich oder größer ist als das U eines Belags aus dem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material · Dadurch, daß dem Halbleitermaterial durch Dotierung mit Akzeptoren p-Typ-Leitung gegeben wird, kann der Abstand Ej, zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes im Halbleitermaterial gleichfalls praktisch gleich oder größer als U gewählt werden, woraus sich eine durch die Erfindung vorgeschriebene Kombination ergibt«

Aus Figβ 1 bis 4 und den vorhergehenden Betrachtungen ist es einleuchtend, daß die effektive Elektronenaffinität mit einem gewählten Belag mit zunehmender Breite des verbotenen Bandes des p—Typ-Teiles weiter herabgesetzt werden kann«, Die Breite des verbotenen Bandes wenigstens des p-Typ-Teiles beträgt vorteilhaft wenigstens 1,2 eV und vorzugsweise wenigstens 1,3 eY.

Besonders geeignete Halbleitermaterialien sind unter anderem A-r-r-r - By — Verbindungen und Mischkristalle solcher Verbindungen» Der Belag kann vorteilhaft aus einem Alkali- oder einem Erdalkali-Metall bestehen«

Einige Beispiele zur Herstellung einer Elektronenröhre mit einer Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung werden nunmehr näher beschriebene

Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenröhre besprochen, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper

909840/0768

- 19 -

der A-rjj - By - Verbindung Galliumarsenid mit einem Belag des Alkalimetalles Gäsium enthält« Die Breite des verbotenen Energiebandes von Galliumarsenid beträgt etwa 1,4 eY und die Elektronen-Austrittsarbeit eines Belags aus Gäsium beträgt gleichfalls etwa 1,4 eV_o

Es wird von einer Z₀B₀ einkristallinen Scheibe 30 aus n-Typ

17

Galliumarsenid mit einer Konzentration größer als 10 Donatoren pro Gcm und einer Stärke von etwa o,5 mm (siehe Figo 6) ausgegangene Die Scheibe kann einen beliebigen Durchmesser haben und in einem späteren Stadium des Verfahrens in kleinere Scheiben mit für die herzustellenden Kathoden gewünschten Abmessungen, ζ·Β· von 1x1 mm, unterteilt werden^

Die Scheibe 30 wird durch Diffusion von Zink mit einer p-Typ-Oberflächenschicht versehene Dazu wird die Scheibe 30 zusammen mit einer Menge Zn,As₂in einer verschlossenen entlüfteten Quarzampulle etwa eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur von etwa 850⁰G erhitzte Nach Entfernung aus der Ampulle wird die p-Typ-Schicht, ausgenommen auf einer Seite der Scheibe, auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise entfernt, z_oB_e durch Schleifen und/oder Ätzen_a Dann ist eine Scheibe 30 mit einer p-Typ-Oberflächenschicht 31 (siehe Figo 7) mit einer Stärke von etwa 10 /um und einer größeren Oberflächenkonzen-

19 '

tration als 10 ^ Zinkakzeptoren pro ecm und mit einem übriggebliebenen n-Typ-Teil 32 entstandene

Anschließend wird eine etwa 1 /um starke Zinkschioht 33 aufgetragen, ZcBo durch Aufdampfen, worauf Teile von der mit der Zinkschicht 33 bekleideten p-Typ-Schicht 31 entfernt werden, so daß ein rasterförmiger Teil 34, 36 (Figo 8 und 9) verbleibt, der aus einem mit einer rasterförmigen Zinkschicht 36 bekleideten rasterförmigen p-Typ~Teil 34 bestellte Die Maschen 35 des rasterförmigen Teiles, 34, 36 haben Abmessungen von z₀B« etwa 100 χ 100 yum und der Abstand zwischen nebeneinander liegenden Maschen beträgt etwa 10 /um_o Die teilweise Entfernung der Schichten 31 und 33 kann auf eine in der Halbleiter-

909840/0768

- 20 m

technik übliche Weise mittels eines photoerhärtenden Lacks und eines Ätzmittels erfolgen_e

Anschließend wird die Scheibe 30, gegebenenfalls eine durch Unterteilung der Scheibe 30 erhaltene kleinere Scheibe, in der Hülle der herzustellenden Elektronenröhre montiert und mit Kontakten versehen. Dies ist in Pig. IO schematisch dargestellt. Die Hülle ist durch die unterbrochene Linie 40 dargestellt. Die Scheibe 30 wird ZoB· durch Löten mit Gold-Zinn-Lot (etwa 10 Gew.# Zinn) auf einer vergoldeten Molybdänplatte 37 befestigt· Die Platte 37 wird z.B. von einem Träger 38 unterstützt, der durch die Hülle 40, die ζ·Β· aus Metall, auch aber aus Glas bestehen kann, isoliert hindurchgeführt ist« Die Platte 37 und der Träger 38 können den elektrischen Anschluß für den n-Typ-Teil 32 bilden. Der elektrische Anschluß für das p*Typ-Raster 34 wird z.B. von einem durch die Hülle 40 isoliert durchgeführten vergoldeten Molybdändraht 41 gebildet, die mittels eines Gold-Zinn-Lots 42 (10 Gew.# Zinn) am p-Typ-Raster 34 befestigt ist.

Weitere Elektroden, wie eine Anode 43 und gegebenenfalls z.B. ein Steuergitter, können bereits in der Hülle 40 vorhanden sein«

Die Hülle 40 wird anschließend entlüftet, bis ein Gasdruck von

vorzugsweise weniger als 10"" mm Quecksilberdruck in der Hülle 40 erreicht ist» Dann wird die Scheibe 30, ZoB. durch Induktion oder mittels eines Elektronenbombardements, einige Sekunden lang bei einer Temperatur von etwa 800 G erhitzte Das Zink 36 diffundiert dann unter anderem über die Gasphase in die freiliegenden Oberflächenteile des n-Typ-Teiles 32 und bildet die p-Typ diffundierten Zonen 45 (Fig. 11), die eine geringere Stärke als 1 /im und eine größere Oberflächenkonzentration als

19 '

10 ^ Zinkakzeptoren pro ecm haben. Dadurch, daß die Dauer der Erhitzung sehr kurz gewählt wird, können die Zonen 45 beträchtlich dünner als 1 yum sein_o Der Haltleiterkörper 30 enthält dann einen p-Typ-Teil, der aus einer Oberflächenzone 34, 35 mit einem

909840/0768 ~ 21 -

zusammenhängenden rasterförmigen Muster von Verdickungen 34 "bestehtβ Diese Verdickungen 34 sichern eine gute Stromzuführung oder -Abführung im Betrieb.

Es ist nicht notwendig, daß das zusammenhängende rasterförmige Muster von Verdickungen 34 (siehe Mg. 9) viereckige Maschen aufweist· Die Maschen können jede beliebige Form haben und Z₀B₀ länglich oder rund sein₀ Auch kann das zusammenhängende rasterförmige Muster von Yerdickungen 34 ZoBo die Form eines Kammes haben.

Schließlich wird aus einer nicht dargestellten Quelle das Cäsium 46 durch Aufdampfen aufgebracht» Das Cäsium 46 bildet vorzugsweise höchstens eine mono-atomare Schichte Die Cäsiumquelle kann eine übliche, z.B₀ elektrisch heizbare Quelle sein₈ die innerhalb der Hülle 40 montiert ist.

Die Hülle 40 kann im entlüfteten Zustand verschlossen \ferden und ist dann gebrauchsfertige

Wie bereits im Vorgehenden erklärt wurde, wird im Betrieb der p-n-Übergang zwischen dem p-Typ-Teil 34, 45 und dem n-Sy/p-Teil 32 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt_o Me Elektronen treten aus den mit Cäsium 46 bekleideten dünnen p-Typ Zonen 45 aus β Der injizierende Anschluß des p-iD^p-Teiles 34, 35 enthält in diesem lalle also einen mit dem p-Typ-Teil einen p-n-übergang bildenden n-S)yp-!£eil 32 ₀ Der p-Iyp-Teil 34, 45 wird völlig von einer diffundierten Zone gebildete

Naturgemäß sind zahlreiche Änderungen und Verfeinerungen des beschriebenen Verfahrens möglich. So kann man z_oB« zunächst auf die beschriebene Weise die Scheibe 30 mit dem p-Typ-Raster 34, (siehe Pig. 8 und 9) versehen^ wobei das Zink 36 nicht angebracht ist. Anschließend kann man die dünnen p-Typ-Zonen 45 nach Pig.11 dadurch bilden, daß die Scheibe 30 mit dem Raster 34- i» sin rohr eingefügt wixd, in dem sick eine Menge Zn^ As₂ -befindet₉

~ 22 ~

wobei ein inertes Gas, wie z_eB<> Argon, einige Sekunden lang über das Zn, ASp und anschließend über die Scheibe 30 übergeleitet wird, wobei das Zn, As₉ und die Scheibe 30 auf einer Temperatur

ο
von etwa 750 C erhalten werden₀ Die p-Typ Zonen 45,(siehe Figo H), mit einer Stärke von weniger als 1 /um und einer Ober-

19 '

flächenkonzentration über 10 Zinkakzeptoren pro ecm sind dann hergestellt» Die Scheibe 30 kann schließlich in der Hülle 40 (Fig. 10 und 11) montiert und auf die bereits beschriebene Weise mit Kontakten versehen werden.

Bemerkt wird, daß während der Herstellung der Zonen 45 gleichzeitig eine dünne p-Typ-Zone an den Rändern und der Unterseite der Scheibe 30 gebildet werden kann₀ Dies ist aber unbedeutend, da die sehr dünne p-Typ-Zone an der Unterseite der Scheibe 30 bei der Befestigung an der Platte 37 durch das verwendete Lot gelöst und/oder umdotiert wird. Eire dünne p-Typ-Zone am Rand der Scheibe 30 ist nicht störend. Ia übrigen kann die dünne p-Typ-Zone an dem Rand und der Untere.Ate der Scheibe 30 gewünschtenfalls vor dem Montieren In J.i.-- Hülle 40 auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise entfernt werden, z.B. durch Schleifen und/oder Ätzen» Auch beim vorgehenden Verfahren kann an den Rändern der Scheibe 30 eine dünne p-Typ-Schicht entstehen, die aber nicht störend ist«,

Ist die Scheibe 30 mit dem Raster 34 und den Zonen 45 in der Hülle 40 montiert und mit Kontakten versehen, so wird die p-Typ-Oberfläche, z.B. durch Sprühen, gereinigte Dazu wird in die Hülle 40 eine Edelgas atmosphäre, z.B. eine Argonatmosphäre, von etwa 0,1 mm Quecksilberdruck eingeführt, worauf zwischen einer weiteren in der Hülle vorhandenen Elektrode, z.B. der Anode..43» und dem p-Typ-Teil 34, 45 ein Spannungsunterschied angelegt wird, wobei der p-Iyp-Teil negativ gegenüber der w eiteren Elektrode vorgespannt ist₀ Der Spannungsunterschied zwischen der weiteren Elektrode und dem p-Typ-Teil 34, 45 wird so groß gevählt, daß die Oberfläche des p-Typ-Teiles 34, 45 durch kathodisches Sprühen gereinigt wird. Beträgt der Abstand zwischen der weiteren

909840/0768 BADORiGiNAL- 23 -

_ 23 - 156A401

Elektrode und dem p-Typ-Teil 34» 45 etwa 1 cm, so kann der Spannungsunterschied z„B« etwa 1300 Volt betragene

Die weitere Elektrode kann eine besonders zum Sprühen montierte Elektrode sein, und es können Torkehrungen getroffen sein, diese Elektrode unter Aufrechterhaltung des niedrigen Gasdrucks in der Hülle 40 aus dieser Hülle zu entfernen·

Ist die Oberfläche des p~Typ-Teiles 34, 45 gereinigt, so wird der Gasdruck in der Hülle auf wenigstens 10 mm Quecksilberdruck herabgesetzt, worauf das Cäsium 46 wie beim vorliegenden Verfahren aufgebracht wird»

Aus den beschriebenen Verfahren, bei denen die dünnen p-Typ-Zonen 45 in der Hülle 40 unter Hochvakuum angebracht oder durch Sprühen gereinigt werden (beides ist naturgemäß auoh möglich), bevor das Cäsium 46 aufgebracht wird, ist es einleuchtend, daß es sehr wichtig ist, daß das Cäsium auf eine sehr reine Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht wird_o

Es wird nunmehr ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenröhre beschrieben, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper mit einem n—Typ-Teil und einem p-Typ-Teil enthält, wobei der p-Typ-Teil eine kleinere Breite des verbotenen Energiebandes hat als der n-Typ-Teilo Beim zu besprechenden Beispiel besteht der n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und der p-Typ-Teil aus Galliumarsenide Die Breite des verbotenen Bandes beträgt etwa 2,3 eV, bzwo 1,4 eVe Die Abmessiingen der Kathode sind die gleichen wie bei den vorgehenden Verfahren·

Es wird von einer Scheibe 30 (Figo 6) aus η-Typ Galliumphosphid mit einer Konzentration von etwa 10 Donatoren pro ocm ausgegangen.

Eine p-Typ-Schicht 31 mit einer Stärke von etwa 10 /um und einer

IQ /

Oberflächenkonzentration von etwa 5 x 10 Zinkakzeptoren pro com wird wieder durch Diffusion von Zink hergestellt· Die Scheibe

909840/0768

- 24 -

156U01

wird dazu etwa eine halbe Stunde lang zusammen mit einer Zinkmenge in einer entlüfteten Quarzampulle auf einer Temperatur von etwa 900⁰C erhalten.

Die Zinkschicht 33 wird in diesem Falle nicht aufgebracht· Dagegen werden Teile von der Schicht 31 entfernt, wodurch der p-Typ-Raster 34 mit den Maschen 35 (Fig. 8 und 9) erzielt wird, wie bei den vorgehenden Verfahren.

Anschließend wird die Scheibe 30 in der Hülle 40 (Fig. 10) montiert und mit Kontakten versehen und die Hülle auf Hochvakuum (Grasdruck weniger als 10 mm Quecksilberdruck) gebracht.

Im Innern der Hülle 40 ist ein nicht dargestelltes, elektrisch heizbares Heizelement, auf das p-Typ-Galliumarsenid aufgebracht ist, montiert. Das p-Typ-Galliumarsenid wird etwa 15 Minuten lang auf einer Temperatur von 73O⁰C und die Scheibe 30 z.B. durch Induktion oder Elektronenbombardement auf einer Temperatur von etwa 65O⁰G erhalten» Auf der Scheibe 30 wird dann eine epitaxial angewachsene p-Typ-Galliumarsenidschicht mit einer Stärke von weniger als 1 /um gebildet. Dadurch, daß die Konzentration an Akzeptoren, z.B. Zink, im Ausgangsmaterial hoch genug gewählt wird, kann in der epitaxial angewachsenen dünnen Schicht eine

1Q
Akzeptorenkonzentration über 10 Akzeptoren pro ecm erzielt werden. Anschließend kann auf die bereits beschriebene Weise Cäsium aufgedampft werden₀ Deutlichkeitshalber ist die nach diesem Verfahren hergestellte mit Cäsium bekleidete Scheibe in Fig. 12 noch einmal getrennt dargestellt. Der p~Typ-Teil der Soheibe 30 besteht aus dem p-Typ-Raster 34 aus Galliumphosphid und der p-Typ epitaxialen Schicht 48 aus Galliumarsenid. Der p-Typ-Teil wird hier also teilweise von einer epitaxial angewachsenen Halbleiterschicht, nämlioh der Schicht 48, gebildet.

Auch bei letzteren Verfahren sind naturgemäß viele Varianten und Verfeinerungen möglich. So kann z.B. nach dem Montieren und Kontaktieren der mit dem p-rTyp-Galliumphosphidraster 34 versehenen Galliumphosphidscheibe 30, in der Hülle 40, zur Erzielung

90984Q/0768

« 25 ~

156UQ1

der epitaxial angewachsenen p-Typ-Galliumarsenidschicht 48, diese Scheibe erhitzt werden unter Aufrechterhaltung einer Arsen und Zink enthaltenden Atmosphäre in der HuIIe₀ In einer dünnen Oberflächenschicht wird dann das Galliumphosphid unter Abgabe von Phosphor an die Atmosphäre in der Hülle 40 in Galliumarsenid umgesetzt, das infolge des vorhandenen Zinks p-Typ« leitung aufweisen wird_e

Weiterhin ist es möglich, die epitaxial angewachsene Galliumarsenidschicht 48 vor dem Montieren der Scheibe 30 in der Hülle 40 dadurch aufzubringen, daß man ζ·Β₀ auf eine in der Halb« leitertechnik übliche Weise Galliumarsenid in der Dampfphase auf der Scheibe 30 anwachsen läßt. Nach Montage und Kontaktierung der Scheibe 30 in der Hülle 40 und vor dem Aufbringen des Cäsiums 46 kann die Oberfläche der Schicht 48 dann mit Hilfe des bereits besprochenen kathodischen Sprühens gereinigt werden« „

Man kann auch eine Kathode mit einem völlig aus Galliumphosphid bestehenden Halbleiterkörper verwenden» In diesem Falle ist als die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag das Erdalkalimetall Barium verwendbare Die Elektronen-Austrittsarbeit eines aufgebrachten Belags aus Barium beträgt weniger als die Breite des verbotenen Energiebandes von Galliumphosphid ₀

Zunächst wird wieder eine Galliumphosphidscheibe 30 (llgo 8) mit einem n-Typ-Teil 32 und einem p-Typ-Galliumphosphidraster 34 hergestellt, wie bei den vorgehenden Verfahren besprochen wurde. Das Zink 35 wird nicht aufgebracht. Anschließend wird in einer verschlossenen entlüfteten Quarsampulle die Scheibe zusammen mit einer Zinkmenge einige Sekunden lang auf einer Temperatur von etwa 900⁰G erhalten. Nach Entfernung aus der Ampulle hat die Scheibe 30 eine Konfiguration nach Pig« 11» Durch Diffusion von Zink aind die p—Typ-Zonen 45 ©ntstanden« Die Zonen 45 sind weniger als 1 /um stark und haben ein© Ober«

/ IQ

flachenkonzentration von etwa 4 χ 10 Zinkakzeptoren pro com«

^rG7§S « 26 *»

~ 26 ~

Die Scheibe 30 wird dann in der Hülle 40 montiert und kontaktiert, worauf die Oberfläche des p-Iyp-Teiles 34, 35 mittels des bereits beschriebenen kathodischen Sprühens gereinigt wird. Anschließend kann Barium 46 aus einer nicht dargestellten Quelle niedergeschlagen werden.

Statt Zink als Akzeptor für den p-Typ-Teil ist auch Kupfer verwendbar, welches bei 500 bis 600⁰O in Galliumphosphid eindiffundiert werden kann. Kupfer bietet den Vorteil, daß es in Galliumphosphid einen tiefliegenden Akzeptorpegel (Abstand zum Valenzband 0,5 eV) verursacht.

Akzeptoren, die einen tiefliegenden Akzeptor verursachen, haben gegenüber Akzeptoren, die einen nahe am Valenzband liegenden Akzeptorpegel verursachen, den Vorteil, daß sie zu einem kleineren Teil ionisiert sind, so daß eine kleinere Konzentration an freien Löchern im Valenzband auftritt, was der Injektion von Elektronen zuträglich ist» In diesem Zusammenhang kann unter einem tiefliegenden Akzeptorpegel ;xi.· wenigstens in einem Abstand von 0,3 eV vom Valenzband liegender Akzeptorpegel verstanden werden. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise 0,4 eV« Der Fermi-Pegel wird im allgemeinen bei Anwendung von Akzeptoren mit einem tiefliegenden Akzeptorpegel etwas weiter vom Valenzband liegen als bei Anwendung von Akzeptoren mit einem nahe am Valenzband liegenden Akzeptorpegel, wodurch im Falle von tiefliegenden Akzeptorpegeln im allgemeinen ein Halbleiter mit einer etwas größeren Breite des verbotenen Energiebandes notwendig ist, um die Beziehung nach der Erfindung "U ist praktisch gleich oder kleiner als E™" (siehe Pig. 2) erfüllen zu können»

Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Varianten möglich sind. So können bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen andere Akzeptoren als Zink, z.B. Cadmium oder Mangan, benutzt werden. Auch können andere als die erwähnten Halbleitermaterialien, z.B. ein Mischkristall vom Galliumarsenid und Galliumphosphid,

OiÜ/tJVöÖ

<· 27 -BAD ORiGiNAL

-27- 156A401

II-VI-Verbindungen oder Siliciurakarbid, bei einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden₀ Auch sind andere übliche Materialien als die erwähnten für den die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belag verwendbar« Die Kombination des Halbleitermaterials und des Belagmaterials muß aber der besprochenen Bedingung nach der Erfindung entsprechen. Der injizierende Anschluß kann jäglicher injizierender Kontakt, ZoB₀ ein injizierender Spitzenkontakt sein. Weiterhin kann Z₀B₀ der Halbleiterkörper der Kathode mit einer zusätzlichen Elektrode, wie einer Steuerelektrode, die Z₀Be kapazitiv wirksam sein kann, versehen sein, und dieser Elektrode können Z₀B₀ Steuersignale zugeführt werden» Zur Erzielung einer sehr reinen Oberfläche, auf die der Belag aufgebracht wird, ist ein einkristalliner Halbleiterkörper verwendbar, von dem unmittelbar vor dem Aufbringen des Belags durch Spalten ein Teil entfernt wird, worauf der Belag auf eine Spaltfläche aufgebracht wird₀

Patentansprüche:

909840/0768 - 28 -

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper enthält, auf eine Oberfläche desselben ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halbleiterkörpers p-Typ-leitung aufweist und dieser Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, und der Belag und der p-Typ-Teil aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil, so daß vom injizierenden Anschluß aus, in den p-Typ-Teil injizierte Elektronen über die bekleidete Oberfläche des p-Typ—Teiles austreten können, und Mittel vorgesehen sind um den injizierenden Anschluß in der Vorwärtsrichtung vorzuspannen·

2* Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptorkonzentration wenigstens in der Nähe der beklei-

18 deten Oberfläche im p-Typ-Teil wenigstens 10 Akzeptoren/ocm beträgtβ

3* Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptorkonzentration wenigstens in der Nähe der bedeckten Oberfläche im p-Typ-Teil wenigstens 10 ^ Akzeptoren/ccm beträgt«

4« Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,2 eV besteht.

909840/0768 - 29 -

-29- 156U01

5· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Eyp-Ieil des Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,3 eV besteht·

60 Vorrichtung nach Anspruoh 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil aus einer A-j-jj-By-Verbindung oder einem Mischkristall solcher Verbindungen besteht«,

7β Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einem Alkalimetall besteht«

8» Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus Cäsium besteht₀

9· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einem Erdalkalimetall besteht»

10, Vorrichtung nach Anspruch 9t dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus Barium bestehto

11. Vorrichtung naoh Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid besteht»

12«, Vorrichtung nach Anspruoh 6 oder 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ—Teil dea Halbleiterkörpers aus Galliumphosphid besteht«

13· Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeiohnet, daß die Akzeptoren im p-Typ-Teil aus Zink bestehen·

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 und 12, dadurch gekennzeichnet ₉ daß der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen tiefliegenden Akzeptorpegel verursachen, der in einem Abstand von w©nigstena 0,3 βΥ, vorzugs-

909840/07 6 8

*» 30 *5>

weise wenigstens 0,4 eV, vom Valenzband liegt«

15 ο Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 14» dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptoren im p-Typ-Teil aus Kupfer bestehen»

16ο Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der injizierende Anschluß einen mit dem p-Typ-Teil einen p-n-übergang bildenden n-Typ-Teil des Halbleiterkörpers enthält₀

17ο Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ-Teil von einer durch Diffusion eines Akzeptors erhaltenen Zone gebildet wird.

18β Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ—Teil wenigstens teilweise von einer epitaxial angewachsenen Halbleiterschicht gebildet wird.

19β Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des verbotenen Energiebandes des n-Typ-Teiles größer als die des p-Typ-Teiles ist.

20_e Vorrichtung nach Anspruch 19_f dadurch gekennzeichnet₉ daß der n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und der p-Typ-Teil aus Galliumarsenid besteht.

21, Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ—Teil des Halbleiterkörpers aus einer Oberflächenzone mit einem zusammenhängenden rasterförmigen Muster von Verdickungen besteht.

22ο Elektronenröhre, die mit einer Kathode mit einem Halbleiterkörper versehen ist, auf eine Oberfläche desselben ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden

909840/0768 -31-

Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halb« leiterkörpers p-Typ-Ieitung aufweist und dieser Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist, geeignet zur Anwendung in einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist,, und der Belag und der p-Typ-Teil aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Permi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil«

9098AO/0768