DE2013252A1 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes - Google Patents

Description

2013251

Dr.-T~r. ί^τ-?!8-Dietrich Zieüer ^%

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Abe Na PHN- 3957

Anmeldung vom: 18oMärZ 1970

"Vorricntung zum Erzeugen eines Elektronenstromes'",

Bie Erfindung bezieht sieh, auf eine ¥©nric33.iti?iig 33a. <eiiti^;e;s Elektronenstronies, z.B» eine Elekta^Snenmit einer Katnode,, deren emittierender Teil auf einem

bestellt,, dessen emittierende Oberfläehfi jnit die El®ktr!onenaus'tr£ifct:sarbe£t nerabsetzendeii Material überzogen ist, wobei die Elektronenaustrittsarbeit des lieberzuges praktiseli gl-eicSk oder kleiner als der Abstand des

von. dem Boden des iLeitungsbando^ im p-IIalb-

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leiter ist, während der p-Halbleiter mit einem injizierenden Anschluss versehen ist, der in einem Abstand von der emittierenden Oberfläche liegt, der kleiner als die Elektronendiffusionslänge in dem p-Halbleiter ist. Eine derartige Vorrichtung wurde in der niederländischen Offenlegungsschrift 650.5085 beschrieben.

Die bekannte Vorrichtung ist eine Vorrichtung mit einer sogenannten Kalten Kathode. Der p-Halbleiter ist ™ mit einem zweiten elektrischen Anschluss versehen, während Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der injizierende Anschluss in der Vorwärtsrichtung vorgespannt werden kann. Die in den p-Halbleiter injuzierten Elektronen können diesen p-Halbleiter über die überzogene Oberfläche verlassen und auf übliche Weise mit Hilfe einer Anode abgesaugt werden. Ein wesentlicher Vorteil ist der, dass die injizierten Elektronen in einem p—Halbleiter praktisch keine kinetische Energie aufzuweisen brauchen, um den p-Halbleiter über die L· überzogene Oberfläche verlassen zu können.

Die Erfindung bezweckt u.a., eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstroms mit einer besonders zweckmässigen Photokathode zu schaffen,

Photokathoden mit einem p-Halbleiter, der mit einer überzogenen Oberfläche zur Herabsetzung der Elek— trorionaustrittsarbeit versehen ist, sind bekannt. Derartige Photokathoden wurden in "Solid State Cominuni cat ions" , Hand 3, Nr. 8, 1965, S. 18<) - \93 beschrieben. Der· vor-

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erwähnte injizierende Kontakt ist bei Photokathoden durch eine Strahlungsquelle ersetzt, deren ausgesandte Strahlung freie Ladungsträger in dem p-Halbleiter generieren kann.

Der Erfindung liegt u.a. die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Struktur der vorerwähnten Kathode mit einem injizierenden Anschluss zum Erhalten einer besonders zweckmässigen Photokathode verwendet werden kann.

Der Erfindung -liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine Photokathode mit einem injizierenden Anschluss wie ein Phototransistor wirken kann, wodurch der Wirkungsgrad gegenüber dem der bekannten Photokathoden um einen Faktor etwa gleich dem Verstärkungsfaktor des Phototransistors erhöht wird.

Unter "Wirkungsgrad" ist hier die Anzahl austretender Elektronen pro absorbiertes Strahlungsquantum zu verstehen. -

Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass der p-Halbleiter nur mit einem einzigen elektrischen Anschluss, und zwar dem injizierenden Anschluss, versehen ist, während Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe der p-Halbleiter mit Strahlung bestrahlt werden kann, die in dem p-Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wirkt wie ein Phototransistor, d.h. wie ein Transistor, dessen elektrischer Basisanschluss durch eine die Basiszone bestrahlende

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Strahlungsquelle ersetzt worden ist. Der injizierende Anschluss ist der Emitter des Phototransistors, während der p-IIalblei ter die Basis ist und das an die überzogene Oberfläche grenzende Vakuum als zu dem Kollektor gehörend betrachtet werden kann. Freie Elektronen in dem p-HaJbleiter können ja ohne weiteres aus dem p-HaJbleiter in das Vakimm himvindiffundieren und somi I von dein Vakuum (und der Anode) kol1.ek1-.iert werden.

E .s sei bemerkt, dass (vine el old ronenemi ( 1 ierende

™ Kathode im allgemeinen im Vakuum angeordnet wird, während in einiger Entfernung von der emittierenden Oberfl äclie der Kathode eine Anode angeordnet ist, die positiv in bezug auf die Kathode (bei iit^i^ Vorrichtung nach der Erfindung also in bezug auf den injizierenden Anschluss) vorgespannt wi rd.

Die Verbesserung des Wirkungsgrades im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit einer Photokaihode beträgt, wie bereits erwähnt, einen Faktor etwa gleich dom Yor-

k h1ärkungsfaktor des Phot ο transistors . Dei- Verstärkungsfaktor IX eines üblichen Transistors ist gleich d 1 ,, d 1, , wobei dl, eine Aenderung dos Dnsisslroms darstellt, dio (vi.no Aondorung d I^ im KoI1oktorstrom hervorruft. In einer Vorrichtung nach der Krfinduiig mit einer Photokathodo, bei dor eine Phο totrausistorwirkung auftritt und bei dor dor "KoI 1 ok torsi rom" dov Aiiodens t rom ist, int dor Verstärkungsfaktor^ - <i 1 /d I₁., wobei d 1^. oi.no Aondorung der Intensität dor M rah lung darstellt, die eine Aendorung d I. im Anodon.si rom hervorruft . Sogar ho i vorliä 1 ( η i sm;'i.'<s i,",

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BAD OHlGINAL

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schlechten Transistoren ist *X bereits erheblich grosser als 1. Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist also beträchtlichs

Die Mittel zur Bestrahlung des p-Halbleiters können auf an sich übliche Weise z.B.* aus einem für die Strahlung durchlässigen Teil der Wand der Umhüllung oder aus einem in dieser Wand artgebrachten Fenster oder Linse, über das (die) der p-Halbleiter bestrahlt werden kanrij oder aus einer eingebauten Strahlungsquelle besteherii Der p-Halbleiter kann auf für Phötokathoden

übliche Weise mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden* Die Strahlung kann aber auch aus Elektronen-bestehen. Auch in diesem Falle verhalt sich die Vorrichtung wie ein Phototransistor*

Bei Bestrahlung des überzogeneu p-Hälbieitefs mit Elektronen tritt sekundäre Eldktronehentisslon auf ι Der Wirkungsgrad dieser* SekundäremIssloti ist besonders hoch* Sekundäre, Elektronenemission durch einen ritit Elektronen bestrahlten p-Halbleiter ist lh ^(ΙΪ<Ε,E.-E. _} Trans« Nuclear Sci^ff ifÖ/i5i Juni 1968» S. 167 -^ 170 beschrieben'# Durch An= (

weridung der Erfindung * bei dot die Photo transistor wirkung auftritt} fcänh der Wirkungsgrad? d«lii die ÄHüahf emittier», ter Elektlröneh %α to absorb i er tos Elektron, noch erhob!, ich

werden* Ü&lwt ist eine besondere ÄUKiTthrUügsrjifxer Vorrichtung nach de F JcrfLndung dad ure 11 gekotin-25« ichiiüt ι dass Mittel tiü. t Ub&t vah 1 ung do« p-llfi I b 1 e i ters i«lfc felefctronen vargtiHishtsti sind* iiioae Mittel, können Z₄Fi₁ aus einer ο ingebautem Elektrohtinquel Ie besteheru

iAD ORIGINAL.

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Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann im allgemeinen als eine Vorrichtung mit einer Pliotokatliode betrachtet werden, wenn der Begriff "Photokathode" im weiten Sinne ausgelegt wird und unter einer Photokathode nicht nur eine Kathode verstanden wird, die beim Betrieb mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, sondern auch eine Kathode, die beim Betrieb mit Korpuskularstrahlung, z.B. mit Elektronen, bestrahlt wird.

κ Der injizierende Anschluss enthält vorzugsweise einen mit dem p-IIalblelter einen pn-Uebergang bildenden ri—Halb Lei ter.

Dex' p-Halbloiter und der darauf angebrachte Uebcrzug können aus Materialien bestehen, die in den erwähnten bekannten Vorrichtungen mit kalten Kathoden, Photokathoden oder Sekundäremission aufweisenden Kathoden üblich sind« So kann der p-IIalbleiter z.B. aus Galliumphosphid oder Galliumarsenid mit einer üblichen Verunreinigung des p—Typs und der Ueberzug aus Zäsium bestehen.

" Der erwähnte ii-Ha Lbleiter kann gleichfalls aus Gallium*- ειraenLd oder Galliumphosphid bestehen, das aber mit einer üblichen Verunreinigung des η-Typs dotiert ist.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Phot.oknthodo und/oder einer Sekundäremission aufweisenden Kathode kann aus einer PhotozoLIe, einem Photovervielf'acher, einem D i. Idver« ta rkor, einem (DiId)- Ikonoskop, oiiK'in (Di Id)-OrLh i kon odor einor beliebigen Elektronen— odor Entladungsröhre mit einer Photokathodo und/oder einer Sekundäremi hh i on aut'wo i.senden Kathode bestehen.

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Einige .Ausführungsformen sind in den Zeichnungen darge"stellt,'.xind werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen _;

Fig. 1 im Schnitt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Figuren 3 und k EnergieSchemas der in den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 verwendeten Kathoden.

Die Vorrichtung 1 nach Fig. 1 zum Erzeugen eines ELektronenstroms enthält eine Kathode 2, deren emittierender Teil 3 aus einem p-Halbleiter besteht, dessen emittierende Oberfläche k mit einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material 5 überzogen ist. Die Elektronenaustrittsarbeit U des Ueberzugs 5 ist praktisch gleich oder kleiner als der Abstand E^ des Fermi-Niveaus F von dem Boden 20

des Leitungsbandes (siehe das Energieschema nach Fig. 3)· Der p-Halbleiter ist mit einem injizierenden Anschluss 6 versehen, der in einem Abstand von der emittierenden Oberfläche V liegt, der kleiner als die Elektronendiffusionslänge im p-Halbleiter ist.

Nach der Erfindung hat der p-Halbleiter 3 nur einen einzigen elektrischen Anschluss, und zwar den -injizierenden Anschluss 6, während Mittel 7» die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer in der Umhüllung der Vor- richtung untergebrachten Linse bestehen, vorgesehen sind, mit deren Hilfe der p-Halbleitcir mit einer .Strahlung

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bestrahlt werden kann, die in dem p-Halbleiter 3 freie Ladungsträger erzeugen. Die Kathode 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Photokathode, die mit elektromagnetischer Strahlung 9 bestrahlt wird.

Der injizierende Kontakt 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein n-Halbleiter, der mit dem p-Halbleiter 3 einen pn-Uebergang 10 bildet und der mit einem Anschlussleiter 11 versehen ist, der durch die Umhüllung 8 geführt ist.

Die Vorrichtung enthält ferner eine ringförmige Anode 12, die mit einem durch die Umhüllung 8 geführten Anschlussleiter 13 versehen ist.

Das Energieschema der p- und n-Halbleiter 3 und ist auf übliche Weise in Fig. 3 dargestellt. Die p- und n-Halbleiter bestehen z.B. aus Galliumarsenid, das eine Breite E gleich etwa 1,4 eV des verbotenen Energiebandes zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband hat. Die emittierende Oberfläche des p-Halbleiters ist mit B bezeichnet. In der Β Nähe dieser Oberfläche tritt, wie dargestellt, Bandkrümmung auf. Die Oberfläche B ist mit einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material, z.B. mit Zäsium, überzogen, das eine Austrittsarbeit U von etwa 1,h eV ergibt. U ist also praktisch gleich E . Da das Formi-Niveau F im p-Halbleiter,

namentlich wenn dieser Halbleiter hochdotiert ist, in der Nähe dor Oberseite .'21 dos Lo i 1 ungsbandos liegt, ist auch H j)i'nk 1 i seil {jJ oieh E... Dies liodout öl , dass thermische IC 1 ok I rniion in dom p-II.-i ! l> I o.H or diesen Halbleiter iibor die

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Oberfläche verlassen können, wie mit dem Pfeil 22 angedeutet ist»

Es sei bemerkt, dass unter dem Abstand E^ des Fermi-Niveaus F von dem Boden 20 des Leitungsbandes dieser Abstand E~ in dem p-Halbleiter äusserhalb des an die emittierende Oberfläche B grenzenden Gebietes zu verstehen ist, in dem Bändkrümmung auftritt.

V gibt das Vakuumniveau an, dih. die Energie eines ausserhälb des p—Halbleiters befindlichen Elektrons* das durch diesen Halbleiter nicht beeinflusst Wird» Die Anode befindet siöh bei A»

An der emittierenden Oberfläche B befindet Sieh eiü schmaler Fötentialberg* wie in Fig. 3 därgestöllt ist« Elektronen kSniieil durch diesen Pötentiälbefg hindurchtünnelil und der erwähnte Pötentiälberg hat praktisch keinen Einfluss.

Die Dicke des p-JTälbleitörS ist göringef' als die Diffusiönslänge von Elektronen in diesem Mälteieiier und beträgt z*B. etwa Öj2yum* Aus dem h-Halblöiter injiziert© kinheti dann die emittierend© Oberfiäehe I

Dies ehtspricht der Dicketiänförderttng für tiie eia©§ VtbkMtmii Transistors«

ES gteüt Sieh heraus j dass sieh die Vorrichtung eitl ^ilötöträfiäistor verhüll\ wenn die Anode positiv tfi be^ug mit tiie Kathode vorgespannt und der p-Hälfeleiter fflit freie LeätÜtingstragef göitörierehder Strahlung bestrahlt it» Fig» t wird ttiit ililfe der Batterie iU die KiixklolZ iü bfögyg auf die Käthotle 2 vorgespannt* währefttl

■ ' §§iS41/tiI1 " " - .bad original;-

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der p-Ha3ble±ter 3 mit Strahlung ° über die Linse 7 bestrahlt wird. Der Anodenstrom kann mit Hilfe eines Strommess erf 15 gemessen werden.

Das Energieschema nach Fig. 3 ändert sich derart, das* es etwa dem nach Fig. 4 ähnlich wird. Am Uebergang zwischen dem p- und dem η-Halbleiter wird das verbotene Eiergieband etwas flacher (der pn-Uebergang gelangt in die /orwärtsrichtung) und das Vakuumniveau weist infolge der angelegten Spannung eine starke Neigung auf.

Der η-Halbleiter ist die Emitterzone, der p-Halbleiter die Basiszone und das Vakuum mit der Anode der Kollektor des Phototransistors.

Es stellt sich heraus, dass die Photokathode 2 besonders zweckmässig wirkt. Der Wirkungsgrad ist erheblich höher als der bekannter Photokathoden mit einem p^Halbleiter 3, aber ohne den n-Halbleiter 6. Der Unterschied beträgt einen Faktor etwa gleich dem Verstärkungsfaktor des Phototransistors.

Bei dem heutigen Stand der Technik ist es

schwierig, Transistoren aus Galliumarsenid mit eitlem sehr grossen Verstärkungsfaktor herzustellen. Ein Verstärkungen faktor gleich etwa 10 und somit ein etwas zehnmal höherer Wirkungsgrad als der der bekannten Photokathoden lässt sich bestimmt erzielen.

Die Kathode 2 kann z.B. dadurch erhalten werden, dass von einem n-HalbleLter, vorzugsweise in Form eines Einkristalls, ausgegangen wird, der auf in der Halbleitertechnik übliche Weise durch Diffusion einer Verunreinigung

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oder- durch, epitaktische Ablagerung einer p-leitenden Halbleiterschient mit einer p-leitenden Oberflächenschicht versehen wird, wonach durch ein bei der Herstellung von Photokathoden übliches Verfahren Zäsium oder ein anderes die Austrittsarbeit herabsetzendes Material auf der p-Ieitenden Schicht angebracht wird.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann z.B. als Photozelle verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer

Vorrichtung 20, bei der die Kathode 2 mit Elektronen bestrahlt wird. Statt der Linse 7 ist in diesem Falle ein Elek'tronenstrahlerzeugungssystem 17 eingebaut, das die Kathode.2 mit Elektronen 16 bestrahlt. Die Kathode weist Sekundäremission auf. Auch diese Vorrichtung weist aber eine Phototransistorwirkung auf, wodurch die Elektronenemission um einen Faktor etwa gleich dem Verstärkungsfaktor des Transistors"' verbessert wird.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 17 kann durch

eine Photokathode der in der Vorrichtung nach Fig. 1 ver- j|

wendeten Art ersetzt werden; ferner kann die Anode 12 der Fig. 2 durch eine Sekundäremission aufweisende Kathode 2 mit einer Anode·12 ersetzt werden, wobei die Anode 12 ihrerseits wieder ersetzt werden kann, usw. Dann wird eine Vorrichtung erhalten, die als Photovervielfacher verwendet werden kann. - ,

Freie Ladungsträger, die in dem p-Halbleiter erzeugt werden, tragen zu der■erwähnten Phototransistor-

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wirkung bei. Auch freie Ladungsträger, die in dem n-Halbleiter 6 in nicht zu grosser Entfernung von dem pn-Uebergang 10 erzeugt werden, tragen zu der Phototransistorwirkung bei; dies ist aber nicht der Fall für freie Ladungsträger, die in grosser Entfernung, z.B. in einem Abstand von mehr als einer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, von dem pn-Uebergang in dem η-Halbleiter erzeugt werden. Daher wird die Kathode 2 vorzugsweise mit Strahlung bestrahlt, die wenigstens hauptsächlich in dem p-Halbleiter absorbiert wird, und deren Eindringtiefe somit gering ist. Bekanntlich ist die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung von der ¥ellenlänge dieser Strahlung und ist die Eindringtiefe von Elektronen von der kinetischen Energie dieser Elektronen abhängig.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung

nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abarten möglich sind. So können die p- und n-Halbleiter z.B. statt aus Galliumarsenid aus Galliumphosphid bestehen, wobei als Ueberzugsmaterial z.B. Zäsium, Zäsium-Sauerstoff, Barium oder Rubidium verwendet werden kann. Auch Mischkristalle aus Galliumarsenid und Galliumphosphid können Anwendung finden. Der ii-Halbl oiter kann aus einem anderen Halbleitermaterial als der p-IIalbleiter bestehen und z.B. eine grössere Breito des verbotenen Bandes als dor p-Halbleiter aufweisen, wobei der n-Halb1eiter z.B. aus (la 1 ] iumpliosph i <1 und dor p-IIn J b 1 ei tor aus Ga 1 1 iuma rsen i d

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bestehen kann. Eine Vorrichtung nach der Er:finduhg kann ein verwicJeeiter'es Elektrödeh'system als das in den Äusifuhrüngs'-t> eispielen dargestellte und ζ,B-. Steüergitter ü.dgl". entlaalteii^. !Der injizierende Ansenlttss icänn z^B-i stati; eines η-Halbleiters eine durch eine dünne isolierschicht von dem p—Halbleiter getrehnt-e Metallschicht enthalten, wobei aus der "Metal!schicht Eiefctröheh, die durch die IsblieS'schictiit hiiidurchtunnel'n, in den p-Halbleiter injiziert werden köhneh;.

Claims (3)

1. 2313252

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   PATENTANSPRÜCHE;

   \1 ·/ Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektx*onenstromes, z.B. eine Elektronenröhre mit einer Kathode, deren emittierender Teil aus einem.p-Halbleiter besteht, dessen .emittierende Oberfläche mit einem die Elektronenaus tritt sarbeit herabsetzenden Material überzogen ist, wobei die Elektronenaustrittsarbeit des Ueberzugs praktisch gleich oder kleiner als der Abstand des Fermi-Niveaus von ^ dem Boden des Leitungsbandes in dem p-Halbleiter ist, während der p-Halbleiter mit einem injizierenden Anschluss versehen ist, der in einem Abstand kleiner als die Elektronendiffusionslänge im p-Halbleiter von der emittierenden Oberfläche liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der p— Halbleiter nur mit einem einzigen Anschluss, und zwar mit dem erwähnten injizierenden Anschluss, versehen ist* wahr*eiid Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der p-Halbleiter mit Strahlung bestrahlt werden kann, die in dem p-Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen»
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der p-IIalbleiter mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden kann.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der p~HaIbLeiter mit Elektronen bestrahlt werden kann.

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   k. Vorrichtung nach einem oder mehreren, der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der injizierende Anschluss einen mit dem p-Halbleiter einen pn-Uebergäng bildenden η-Halbleiter enthält.

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