DE2345679A1 - Halbleiterkaltkathode - Google Patents
HalbleiterkaltkathodeInfo
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Description
PHB.32279. Va/EVH.
GĂNTHER M. DAVID 23^5679
PaterstĂŒ-ssssor
Anmelder: H. V. PHILIPS' CL0EILAMPENFA3RIEKEN
Anmelder: H. V. PHILIPS' CL0EILAMPENFA3RIEKEN
Akte: PHB-32T279
Anmeldung vom. 1O. Sept. 1973
Anmeldung vom. 1O. Sept. 1973
Halbleiterkaltkathode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterkaltkathode
mit einem injizierenden Uebergang mit pâTyp Halbleitermaterial,
wobei eine freie OberflÀche des genannten p-leitenden
Materials nicht weiter als nahezu eine DiffusionslĂ€nge fĂŒr Elektronen von dem genannten injizierenden Uebergang entfernt
ist. '
Eine Halbleiterkaltkathode ist in der britischen Patentschrift 1.147.883 beschrieben. Das Anstrittspotential
an der OberflĂ€che des p-leitenden Materials fĂŒr von dem Uebergang in das Leitungsband dieses Materials injizierte
Elektronen kann nahezu völlig durch eine OberflĂ€chenbehandlung unterdrĂŒckt werden, was zur Folge hat, dass nahezu
alle Elektronen, die in das p-leitende Material injiziert
409814/0881
- 2 - PHB.32279.
werden und zu dessen OberflÀche diffundieren, zu einem Vakuum
ausweichen können.
Die Erfindung bezweckt, eine Elektronenröhre mit einer Halbleiterphotokathode mit VerstÀrkung, insbesondere, aber
nicht ausschliesslich einer Bildphotokathode mit erheblicher
VerstÀrkung, zu schaffen.
Eine Ilalbleiterphotokathode nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere Feldeffekttransistorstrukturen
und ein elektronenemittierendes Element enthÀlt, das einen injizierenden Uebergang mit Halbleitermaterial
vom p-Typ aufweist und das mit der Source- und/oder Drain-Elektrode der oder jeder Transistorstruktur elektrisch
in Reihe angeordnet ist, wobei eine freie OberflÀche des genannten Halbleitermaterials vom p-Typ nicht weiter als nahezu
eine DiffusionslĂ€nge fĂŒr von dem genannten injizierenden
Uebergang emittierte Elektronen von diesem Uebergang entfernt ist, und wobei die oder jede Transistorstruktur eine Gate-Elektrode
zum Erzeugen einer Verarmungszone in dem Kanal der betreffenden Transistorstruktur aufweist, die derart angeordnet
ist, dass auf die Photokathode gerichtete elektromagnetische Strahlung in der genannten Verarmungszone oder
innerhalb einer DiffusionslÀnge von der genannten Verarmungszone LadungstrÀger erzeugen kann.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform enthÀlt die Photokathode eine Matrix von Feldeffekttransistorstrukturen
mit zugehörigen emittierenden Elementen, wobei jede Struktur eine gesonderte Gate-Elektrode besitzt, die vorzugsweise vom
40981 Î/0881
- 3 - ' PHB.32279.
Grenzsch.ich.ttyp ist.
Wenn jede Gate-Elektrode vom Grenz schicht typ ist,
kann sie durch einen pn-Uebergang in Form eines HomoĂŒbergangs
zwischen Zonen verschiedener LeitfÀhigkeitstypen, aber aus demselben Halbleitermaterial, oder in Form eines gleichrichtenden
HeteroĂbergangs zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien gebildet werden. Der Gate-Uebergang kann- auch durch einen
Metallkontakt auf dem Material der KanÀle der Transistorstrukturen gebildet werden, um einen sperrenden Schottky-Uebergang
zu erhalten.
Vorzugsweise ist fur alle GateâElektroden ein gemeinsamer
Adressierleiter vorgesehen, der mit jeder GateâElektrode
Ăber eine gesonderte Sperrschicht zur Verhinderung des Abfliessens
von Ladung von der Gate-Elektrode zu dem Leiter verbunden ist. Jede dieser Sperrschichten kann durch einen
Kondensator oder einen gleichrichtenden Uebergang in Form
eines pn-HomoĂŒbergangs, eines gleichrichtenden HeteroĂbergangs
oder eines sperrenden SchottkyâUebergangs gebildet werden.
Die genannte freie OberflĂ€che des Halbleitermaterials â vom p-Typ eines zu dem oder jedem Transistor gehörigen
emittierenden Elements kann mit einem Material ĂŒberzogen werden, dessen Austrittspotential geringer als oder gleich dem Abstand
zwischen dem Fermi-Niveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes
in dem pâleitenden Material ist» Das Ueberzugmaterial
kann aus ZĂ€sium oder aus ZĂ€sium und Sauerstoff bestehen und z.B. eine ZĂ€sium-Sauerstoff-Monoschicht sein.
Zum Injizieren von Elektronen in das pâleitende
- 4 - pub.32279.
Material kann ein in der Durchlassrichtung vorgespannter pn-Uebergang verwendet werden. Auch kann dazu ein injizierender
Punktkontakt verwendet werden.
Die Photokathode kann z.B. in eine BildverstÀrker- und/oder -umwandlungsröhre aufgenommen sein und einen Leuchtschirm
und Mittel, z.B. weitere Elektroden, enthalten, mit deren Hilfe von der Photokathode emittierte Elektronen auf
den genannten Schirm fokussiert werden.
Einige AusfĂŒhrungsformen der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden nÀher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in einer
Elektronenröhre,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in einer
Elektronenröhre,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Photokathode nach Fig. 2,
wobei Fig. 2 einen Querschnitt lÀngs der Linie II-II der
Fig. 3,
Fig. 4 ein Schaltbild des in Fig. 3 dargestellten Teiles der Photokathode,
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in
einer Elektronenröhre,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Photokathode nach Fig. 5»
wobei Fig. 5 einen Querschnitt lÀngs der Linie V-V der Fig. 6 zeigt, und
/âŠOS) 8 1 A/088 1
- 5 ·· PHB.32279.
Fig, 7 ein Schaltbild des in Fig. 6 dargestellten
Teiles der Photokathode.
In Fig. 1 ist eine Schicht 1 aus p-leitendem einkristallinem
Silicium auf einer transparenten Glastragplatte angebracht. Eine Schicht 3 aus einkristallinem n-leitendem
Silicium wird epitaktisch auf der Schicht 1 angewachsen. Eine Matrix ringförmiger p+-Zonen h wird auf der oberen
FlÀche der Schicht 3, gleich wie n+-Zonen 5, durch Diffusion
gebildet, wobei die letzteren Zonen in der Mitte jeder ringförmigen Zone h gelegen sind. Nach der Anbringung der Zonen 4,5
wird die OberflĂ€che der Schicht 3 völlig von einer dĂŒnnen Isolierschicht 6 bedeckt."
Ringförmige Metallkontakte 7» z.B. aus Gold oder Aluminium, werden auf der Schicht 6 oberhalb jeder Zone h
abgelagert,. All diese Kontakte 7 sind miteinander ĂŒber Leiter verbunden, die auf der Schicht 6 abgelagert und schematisch
als ein Leiter 8 dargestellt sind.
Eine weitere Isolierschicht 9 erstreckt sich auf der Isolierschicht 6 und bedeckt die Kontakte 7· In den
Isolierschichten 6 und 9 sind Oeffnungen oberhalb der n+-OberflÀchenzonen
5 vorgesehen.
Eine dĂŒnne Schicht 10 aus p-leitendem Silicium ist auf der Schicht 9 angebracht und erstreckt sich in den
Oeffnungen in den Isolierschichten 6 und 9 in Kontakt mit
den n+-Zonen 5· Auf der oberen FlÀche 11 der Siliciumschicht
liegen ringförmige Elektroden 12, z.B. aus Gold oder Aluminium,
die zu den ringförmigen Ï -OberflĂ€chenzonen h koaxial sind.
A09814/0881 BAD ORiGINAL
- 6 - PIIB.32279.
Die Elektroden 12 sind miteinander durch Leiter verbunden, die auf der OberflÀche 11 abgelagert und schematisch als ein
Leiter 13 dargestellt sind. Die obere FlÀche 11 ist auch mit einer nahezu monoatomaren (nicht dargestellten) Schicht aus
ZÀsium-Sauerstoff versehen, um das Austrittspotential an dieser OberflÀche auf nahezu Null herabzusetzen.
Beim Betrieb wird ein positives Abfragepotential an die Leitung 13 und somit an die Elektroden 12 in bezug auf
eine Klemme angelegt, welche Klemme mit der Schicht 3 verbunden ist und in Form eines η -Gitters zwischen den ringförmigen
Ï -Zonen 4 angebracht sein kann. Der Stromweg von den Elektroden 12 erstreckt sich ĂŒber die Siliciumschicht
in den Oeffnungen in den Isolierschichten 6 und 9 2^ den
n+-Zonen 5 und dann seitlich durch die Schicht 3· Ein positiver
Setzimpuls wird an den Leiter 8 angelegt und spannt die pn-UebergÀnge zwischen den Zonen k und der Schicht 3 in der
Durchlassrichtung vor und lÀdt somit die MOS-Kondensatoren auf, die durch die Kontakte 7» die Isolierschicht 6 und die
Zonen k gebildet werden. Am Ende des positiven Impulses
nehmen die Kontakte 7 wieder das Potential der Schicht 3 an
und machen die Zonen 4 negativ und spannen somit die UebergÀnge
zwischen den Zonen 4 und der Schicht 3 in der Sperrichtung vor, wÀhrend sie eine ringförmige Verarmungszone unter jeder
dieser Zonen 4 erzeugen, wobei diese ringförmige Verarmungszone einen Stromweg von der Leitung 13 zu der Klemme 14 umgibt.
Die Grosse des RĂŒckstellimpulses und die Dicke und der spezifische Widerstand der Schicht 3 sind derart gewĂ€hlt,
409814/0881 : BAD
- 7 - pub.32279.
dass all diese Verarmungszonen sich bis zu dem Uebergang
zwischen der Schicht 1 und der Schicht 3 erstrecken (die Klemmen 14 und 15 fĂŒr die Schichten 3 und 1 sind in diesem
Arbeitsmodus miteinander verbunden), wodurch der Stromweg von der Klemme 14 zu jeder Zone 5 und somit zu jeder Elektrode
abgesperrt wird. Ein solcher Arbeitsmodus, bei dem sich alle
Verarmungszonen bis zu dem NullvorspannungsĂŒbergang unter
der Schicht 3 erstrecken, wird nachstehend als "Punch-through"-Modus
(Durchschlagmodus) bezeichnet, Wenn die Zonen den genannten Uebergang erreichen, injiziert die p-leitende Schicht
Löcher in die Schicht 3f wodurch die Verarmungszonen beschrÀnkt
werden und sich bis zu, aber nicht jenzeits des Uebergangs zwischen den Schichten 1 und 3 erstrecken. Die Matrix wirkt
somit als eine Matrix von Grenzschichtfeldeffekttransistorstrukturen,
deren gemeinsamer Source-Anschluss durch die Klemme l4 gebildet wird, deren Gate-Elektroden durch die
Zonön 4 und deren Drain-Elektrodenzonen durch die Zonen 5
gebildet werden. Wenn nun ein Strahlungsmuster, das freie LadungstrÀger in der Schicht 3 erzeugen kann, auf diese
Schicht ĂŒber die Platte 2 und die Schicht 1 fokussiert wird, zieht sich die Verarmungszone unter jeder Gate-Elektrode
in den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden RĂŒckstellimpulsen
gemÀss der örtlichen StrahlungsintensitÀt zusammen. Beim Anlegen des positiven Abfragepotentials an die Leitung
wÀhrend dieser Intervalle fliesst ein Strom zu der entsprechenden Zone 5» wobei die Grosse dieses Stroms von dem Ausmass
des Zusammenziehens der entsprechenden Verarmungszone und
Î 0 9 B 1 4 / 0 B B 1 BAD ORIGINAL1 ,
- 8 - PHB.32279.
2 3 4 b 6 7 9
somit von der Menge an Strahlung abhĂ€ngig ist, die von dem Ende des vorangehenden RĂŒckstellimpulses an in dieser Verarmungszone
absorbiert wird oder innerhalb einer DiffusionslĂ€nge von dieser Zone gelangt. Dadurch wird der elektronenâ
injizierende pn-Uebergang zwischen der entsprechenden Zone
und der Schicht 10 in der Durchlassrichtung vorgespannt. Dadurch werden Elektronen in das Leitungsband des p-leitenden
Siliciums der Schicht 10 injiziert, zu der OberflÀche 11
diffundiert und zu einem wesentlichen Teil in ein Vakuum an dieser OberflÀche emittiert, z.B. wenn die Photokathode in
einer Röhre montiert wird, die schematisch mit gestrichelter Linie 80 angegeben ist. Die Elektronen werden dann von einem
elektronenoptischen System 81 beschleunigt und auf den Leuchtschirm 82 der Röhre 80 fokussiert, um ein verstÀrktes dem
Eingangsstrahlungsmuster entsprechendes Bild zu erhalten.
Der Leuchtschirm 82 kann leitend sein und die Anode der Röhre bilden.
Es sei bemerkt, dass die Vorrichtung den Effekt der Eingangsstrahlung integrieren kann, wobei Belichtung wÀhrend
lÀngerer Zeit mit dieser Strahlung zur Folge hat, dass sich die Verarmungszonen weiter zusammenziehen und die von den
entsprechenden Teilen der OberflĂ€che 11 emittierte Strahlungsâ
menge grosser wird. Die Vorrichtung kann dadurch wiedereingestellt
werden, dass ein weiterer positiver Impuls an den Leiter 8 angelegt wird.
ErwUnschtenfalls kann ein negatives Potential in bezug
auf die Klemme 14 an die mit der Schicht 1 verbundene Klemme
ÂŁ09 8 "U/0-881
BAD ĂRK3INĂI- -;??u
- 9 - pirn.32279.
23V-3Ă79
angelegt werden, damit der Uebergang zwischen der Schicht 1 und der Schicht 3 in der Sperrichtung vorgespannt und eine
weitere Verarmungszone erzeugt wird, die sich bis in die
Schicht 3 zu den Verarmungszonen unter den Gate-Elektroden 4
ĂŒber einen Abstand erstreckt, der von der Grosse dieses
Potentials abhÀngig ist. Es ist einleuchtend, dass durch das Anlegen eines solchen Potentials der photoempfindliche Teil
der Schicht 3 von der GrenzflÀche 1, 3 ab bewegt werden kann.
Weil rotes Licht weiter als das blaue Licht in die Schicht 3 eindringen kann, kann auf diese „eise die relative Empfindlichkeit
der Vorrichtung fĂŒr rotes und blaues Licht geĂ€ndert werden.
ErwĂŒnschtenfalls können die einzelnen kapazitiven Verbindungen des Adressierleiters 8 mit den Gate-Elektroden
durch einzelne aus gleichrichtenden UebergÀngen bestehende Kopplungen ersetzt werden, die derart polarisiert sind, dass
von dem Leiter 8 eine negative Ladung zu den Zonen 4 gefĂŒhrt werden kann, aber nicht zu dem Leiter 8 zurĂŒckfliessen kann,
wenn der RĂŒckstellimpuls eliminiert wird. Die Kontakte 7
können sich also durch den Isolator 6 erstrecken und die entsprechende p+-Zone 4 kontaktieren, um einen Schottky-Uebergang
mit dieser Zone zu bilden. Es ist einleuchtend, dass bei Anwendung solcher gleichrichtender Kopplungen die PolaritÀt
der an den Leiter 8 angelegten RĂŒckstellimpulse passend gewĂ€hlt werden muss; die Impulse können, je nach der Art der
genannten Kopplungen, positiv oder negativ verlaufende Impulse sein,
4 09814/0881
ORIGINAL
ORIGINAL
- 10 - PUB.32279.
2 3 ΰ 5 B 7 9
Es sei bemerkt, dass der Ladungsspeicher-Arbeitsmodus der Matrix von Grenzschichtfeldeffekttransistoren der obenbeschriebenen
Art dem in der britischen Patentanmeldung 13^15/72
(PHA.20552) beschriebenen Arbeitsmodus Àhnlich ist. Die Gate-Elektroden
k können erwĂŒnschtenfalls auch ĂŒber einzelne
MOS-Transistoren adressiert werden, wie in der genannten Anmeldung beschrieben ist.
In Fig. 2 und 3 enthÀlt eine mit zwei Klemmen versehene
aktive Bildphotokathode eine Matrix von JPET-Strukturen, von denen zwei in dem Querschnitt nach Fig. 2 und von denen vier
in der Draufsicht nach Fig. 3 dargestellt sind. Auf der OberflÀche
einer Ilalbleiterschicht 21 vom η-Typ, z.B. aus Silicium, liegt eine Isolierschicht 22 aus Siliciumoxyd. Jede JFET-Struktur
enthÀlt eine mittlere n+-Drain-Elektrodenzone 23 kreisförmigen
Umfangs, die von einer ringförmigen Ï -Gate-Elektrodenzone Zh
umgeben ist, wobei die Gate-Elektrodenzonen pn-UebergÀnge 25 mit der r-leitenden Schicht 21 bilden. Die Source-Elektrodenzonen
aller JFET-Strukturen werden durch eine einzige η -Zone
27 in Form einer η -Gitterzone an der unteren FlÀche der
η-leitenden Schicht 21 gebildet, wobei die Oeffnungen im Gitter zu den darĂŒber liegenden kreisförmigen Drain-Elektrodenzonen
23 symmetrisch angeordnet sind. Auf der unteren FlĂ€che der η-leitenden Schicht 21 liegt eine dĂŒnne Metallschicht 28,
z.B. aus Platin, die eine ohmsche Verbindung mit der n+-Source-Elektrodenzone
27 und einen Schottky-Uebergang mit den
anderen Teilen der η-leitenden OberflÀchenschicht 21 bildet.
Die Schicht 21 mit der darauf liegenden Metallschicht 28,
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ORIGINAL : : °
ORIGINAL : : °
- 11 - PTI3.32279.
2 3 A 5 B 7 9
die den Durchgang einfallender Strahlung gestattet, wie dargestellt,
wird von einer Glasplatte getragen, die auch den Durchgang einfallender Strahlung gestattet.
Auf der OberflÀche der Isolierschicht 22 ist eine Schicht 29 hohen spezifischen Widerstandes aus p-leitendem
polykristallinem Silicium abgelagert. Die Schicht 29 erstreckt
sich in Oeffnungen in der Isolierschicht 22 und bildet Drain-AnschlĂŒsse 30 mit den n+-Drain-Elektrodenzonen 23. Die Drain-AnschlĂŒsse
30 bilden auch injizierende AnschlĂŒsse zum Injizieren
von Elektronen von den η -Zonen 23 in die darauf liegenden Teile der p-leitenden Schicht 29. Auf der OberflÀche der
p-leitenden Schicht 29 befindet sich eine Anzahl ringförmiger Metallschichtteile 31» die ohmsche Verbindungen mit der
Schicht 29 bilden. Die Metallschichtteile 31 umgeben je den
Drain-Anschluss 30 einer abbildenden JFET-Struktur. Weitere
Metallschichtteile 32 in Form von Streifen erstrecken sich
auf der OberflÀche der p-leitenden Schicht 29 und verbinden die ringförmigen Metallschichtteile 31 miteinander. Auf diese
Weise bilden die Teile 31 und 32 eine erste gemeinsame Klemme
fĂŒr die JFET-Strukturen. Eine zweite gemeinsame Klemme fĂŒr die JFET-Strukturen wird durch die Metallschicht 28 gebildet,
die ohmsche Verbindungen mit der η -Source-Gitterzone 27 bildet.
In jeder JFET-Struktur ist die p+-Gate-Elektrodenzone 2k
kapazitiv mit dem Drain-Anschluss 30 verbunden. Dies wird dadurch erreicht, dass die p-leitende Schicht 29 auf der
Isolierschicht 22 oberhalb der ringförmigen Gate-Elektroden-
4 0 9 H 1 U I ĂŒ Îœ-, Î 1
- 12 - PH3.32279.
2345579
zone 2k liegt. Die p-leitende Schicht 29, die Isolierschicht
und die Gate-Ălektrodenzone 2k bilden also einen Speicherâ
kondensator, wÀhrend jeder Metallschichtteil 31 eine gemeinsame
Verbindung mit dem DrainâAnschluss 30 und der von der Gate-Elektrode
abgekehrten Seite des Speicherkondensators bildet» Auf den OberflÀchenteilen der p-leitenden Schicht 29
innerhalb der ringförmigen Metallschichtteile 31 ist ein
Ueberzug 33 aus einem Material zur Herabsetzung des Elektronenaustritt spotentials, z.B. aus ZĂ€sium oder einer ZĂ€sium-Sauerstoff-Monoschicht,
angebracht« Von dem injizierenden Drain-Anschluss in die p-leitende Schicht 29 emittierte Elektronen können an
der OberflĂ€che der UeberzUge austreten, wenn die Vorrichtung in einer evakuierten UmhĂŒllung (nicht dargestellt) unter einem
geeigneten Àusseren elektrischen Feld angeordnet wird. Wie
in der AusfĂŒhrungsform nach Fig. 1 wird der Abstand zwischen dem injizierenden Anschluss und der emittierenden OberflĂ€che
derart gewÀhlt, dass er nicht wesentlich grosser als eine
DiffusionslÀnge istj in diesem Zusammenhang wird die Dicke
der p-leitenden Schicht dementsprechend gewÀhlt. Die Wirkungsweise
ist gleich der der AusfĂŒhrungsform nach Fig. 1, mit der
Ausnahme, dass die RĂŒckstellimpulse dem Abfragepotential, das an die erste gemeinsame Klemme 31, 32 in bezug auf die
zweite gemeinsame Klemme 28 angelegt wird, hinzugefĂŒgt werden. Das genannte Abfragepotential kann die Form von zwischen
die RĂŒckstellimpulse eingefĂŒgten Impulsen aufweisen oder kann ein gleichmĂ€ssiges Potential sein, dem die RĂŒckstellimpulse
hinzugefĂŒgt werden.
A 0 9 8 T A / 0 8 8 1
ORIGfMAL INSfEOTEO
ORIGfMAL INSfEOTEO
- 13 - PHS.32279.
2345579
Eine Isoliertang zwischen einzelnen emittierenden OberflÀchenteilen
der p-leitenden Schicht 29 wird dadurch erhalten,
dass die p-leitende Schicht 29 einen hohen spezifischen
Widerstand aufweist.
„ie in Pig. 1 kann die η-leitende Schicht 21 auch auf einem p-leitenden Substrat angebracht sein, wobei die Source-Elektrodenzone
an der oberen FlÀche der Schicht 21 liegt.
Das einfallende Strahlungsmuster kann auf die obere FlMche der Vorrichtung gerichtet werden, in welchem Falle
die p-leitende Halbleiterschicht 29 genĂŒgend dĂŒnn gemacht
werden muss, um Strahlung durchzulassen.
Fig, h zeigt ein Schaltbild des in Fig. 3 dargestellten
Teiles der Vorrichtung. Der ZufĂŒhrungsleiter zu der ersten
gemeinsamen durch die Metallschichtteile 31» 32 gebildeten Klemme ist mit T1 und der ZufĂŒhrungsleiter zu der zweiten
gemeinsamen Klemme 28 ist mit T2 bezeichnet.
In Fig, 2 sind mit gestrichelten Linien die Grenzen der zu den Gate-pn-UebergÀngen und dem Schottky-Uebergang 21,
gehörigen Verarmungszonen zu einem gewissen Zeitpunkt zwischen den RĂŒckstellimpulsen angegeben, wenn Strahlung einfĂ€llt und
das Zusammenziehen der Gate-Verarmungszonen bewirkt hat, wodurch die KanÀle geöffnet werden. Die zu dem Uebergang 21,
gehörige Verarmungszone weist eine grössere Dicke unterhalb
der n+-Zonen 23 als in der NĂ€he der n+-Zonen 27 auf, was auf
den seitlichen Spannungsabfall in der Schicht 21 zwischen den Zonen 27 und 23 zurĂŒckzufĂŒhren ist.
Fig. 5 und 6 zeigen einen Teil einer mit drei Klemmen
4098U/0881
- -\h - PUB.32279.
versehenen aktiven Bildphotokathode, die der AusfĂŒhrungsform
nach Fig. 1 gewissermassen Àhnlich ist. Die Photokathode
enthÀlt eine Matrix von JFET-Strukturen, von denen zwei in
dem Querschnitt nach Fig. 5 und von denen vier in der Draufsicht nach Fig. 6 dargestellt sind. Auf der OberflÀche einer η-leitenden Schicht 61, z.B. aus Silicium, liegt eine Isolierschicht 62 aus Siliciumoxyd. Jede JFET-Struktur enthÀlt eine mittlere η -Drain-Elektrodenzone 63 kreisförmigen Umfangs,
die von einer ringförmigen Ï -Gate-Elektrodenzone 6h umgeben ist, wobei die Gate-Elektrodenzone 6k pn-UebergĂ€nge 65 mit der η-leitenden Schicht 61 bilden. Die Source-Elektrodenzone aller JFET-Strukturen werden durch eine einzige η âZone 67 in Form einer η -Gitterzone gebildet, die sich an der oberen FlĂ€che
der Schicht 61 erstreckt, wobei die Oeffnungen im Gitter zu
den kreisförmigen Drain-Elektrodenzonen 63 symmetrisch angeordnet sind. Es wird ein gemeinsamer Source-Anschluss mit
dem Gitter 67 hergestellt und mit der Klemme S versehen. Auf der unteren FlÀche der η-leitenden Schicht 61 liegt eine
dĂŒnne Metallschicht 68, z.B. aus Platin, die einen Schottky-Uebergang mit der n-leitenden Schicht 61 bildet. Die Schicht mit der darauf angebrachten Metallschicht 68, die den Durchgang einfallender Strahlung gestattet, wie dargestellt, wird von einer Glasplatte 69 getragen.
enthÀlt eine Matrix von JFET-Strukturen, von denen zwei in
dem Querschnitt nach Fig. 5 und von denen vier in der Draufsicht nach Fig. 6 dargestellt sind. Auf der OberflÀche einer η-leitenden Schicht 61, z.B. aus Silicium, liegt eine Isolierschicht 62 aus Siliciumoxyd. Jede JFET-Struktur enthÀlt eine mittlere η -Drain-Elektrodenzone 63 kreisförmigen Umfangs,
die von einer ringförmigen Ï -Gate-Elektrodenzone 6h umgeben ist, wobei die Gate-Elektrodenzone 6k pn-UebergĂ€nge 65 mit der η-leitenden Schicht 61 bilden. Die Source-Elektrodenzone aller JFET-Strukturen werden durch eine einzige η âZone 67 in Form einer η -Gitterzone gebildet, die sich an der oberen FlĂ€che
der Schicht 61 erstreckt, wobei die Oeffnungen im Gitter zu
den kreisförmigen Drain-Elektrodenzonen 63 symmetrisch angeordnet sind. Es wird ein gemeinsamer Source-Anschluss mit
dem Gitter 67 hergestellt und mit der Klemme S versehen. Auf der unteren FlÀche der η-leitenden Schicht 61 liegt eine
dĂŒnne Metallschicht 68, z.B. aus Platin, die einen Schottky-Uebergang mit der n-leitenden Schicht 61 bildet. Die Schicht mit der darauf angebrachten Metallschicht 68, die den Durchgang einfallender Strahlung gestattet, wie dargestellt, wird von einer Glasplatte 69 getragen.
Auf der OberflÀche der Isolierschicht 62 liegt ein
nahezu C-f3rmiger isolierter Gate-Anschluss, der durch einen Metallschichtteil 7I gebildet wird und sich oberhalb der
Gate-Elektrodenzone 6k jeder JFET-Struktur befindet. Die
nahezu C-f3rmiger isolierter Gate-Anschluss, der durch einen Metallschichtteil 7I gebildet wird und sich oberhalb der
Gate-Elektrodenzone 6k jeder JFET-Struktur befindet. Die
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- 15 - PH3.32279.
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Metallschieh-tteile 71 sind miteinander durch weitere Metallschiehtteile
72 verbunden, wÀhrend eine gemeinsame Gate-Klemme G zum Anschluss an die Metallschichtteile 71» 72 vorgesehen
ist. Jeder Metallschichtteil 71 ist gegen die tint er liegende
GateâElektrodenzone 64 isoliert, wodurch ein MISâSpeicherkondensator
in Reihe mit jeder Gate-Elektrodenzone 64 gebildet wird.
In Oeffnungen kreisförmigen Umfangs in der Isolierschicht-
62 oberhalb der Drain-Elektrodenzone 63 sind Schichtteile 74 hohen spezifischen Widerstandes aus pâleitendem
polykristallinem Silicium abgelagert. Die p-leitenden Teile 74,
die sich auch teilweise auf der Isolierschicht 62 erstrecken, bilden Drain-AnschlĂŒsse 75 mit den η -Drain-Elektrodenzonen
Die DrainâAnschlĂŒsse 75 bilden auch TJebergĂ€nge zum Injizieren
von Elektronen von den η -Zonen 63 in die p-leitenden Schichtteile
74. Auf dem Rande jedes p-leitenden Schichtteiles 74
befindet sich ein ringförmiger Metallschichtteil 76, der eine ohmsche Verbindung mit dem p-leitenden Schichtteil 74 bildet.
Die Metallschichtteile 76 sind alle miteinander durch weitere
Metallschichtteile 77 verbunden, die sich ĂŒber die Isolierschicht 62 erstrecken und mit einem gemeinsamen Drain-Anschluss D
versehen sind. ^=-
Auf den OberflÀchen der p-leitenden Schichtteile 74
innerhalb der ringförmigen Metallschichtteile 76 liegen
UeberzĂŒge 78 aus einem Material zur Herabsetzung des Elektronenaustrittspotentials,
z.B. aus ZĂ€sium oder ZĂ€siumoxyd. Ein wesentlicher Teil der in die p-leitenden Schichtteile 74 von
U 0-9 ÎČ M-I f: :: 3 1
BADORfQlKAL
- 16 - PHB.32279.
, den injizierenden Drain-AnSchlĂŒssen 75 injizierten Elektronen
kann aus der OberflĂ€che der Ueberztige austreten, wenn die Vorrichtung in einer evakuierten (nicht dargestellten) UmhĂŒllung
unter einem geeigneten Àusseren elektrischen Feld angebracht wird. Wieder ist der Abstand zwischen den injizierenden UebergÀngen
und der emittierenden OberflÀche nicht wesentlich grosser als eine DiffusionslÀnge; in diesem Zusammenhang wird
die Dicke der p-leitenden Schichtteile Jk dementsprechend
gewĂ€hlt. Elektronenemission kann erhalten werden, wenn Leitung in der betreffenden JFET-Struktur zwischen Source- und Drain-AnschlĂŒssen
auftritt. Durch den gleichzeitigen Betrieb aller JFET-Strukturen in dem Ladungsspeicherungsmodus (siehe Fig. 1)
wird wieder infolge der von jeder JFET-Struktur gelieferten VerstÀrkung eine erhebliche Ver gr ö" s s erung der Bildphotokathodenwirkung
erhalten. So kann, wie dargestellt, ein einfallendes Strahlungsmuster an der unteren FlÀche der Vorrichtung
in ein Elektronenemissionsmuster an der oberen FlÀche der Vorrichtung umgewandelt werden, wie dargestellt ist,
wobei die Umwandlung mit VerstÀrkung erfolgt.
Fig. 5 und 6 zeigen die AnschlĂŒsse der Klemmen S, G und
D der Vorrichtung, wobei die Klemme S ausserdem direkt mit
der Metallschicht 68 zum Betrieb in dem Durchschlagmodus ("Punch- through ''-Modus ) verbunden ist. Die Abfrage- und RĂŒckstellspannungen
sind mit V_ bzw. V bezeichnet.
J. H.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild des in Fig. 6 dargestellten
Teiles der Vorrichtung. Die durch pn-UebergÀnge gebildeten
und Elektronen injizierenden Drain-AnschlĂŒsse 75 und das Austreten emittierter Elektronen aus den p-leitenden Schicht-
A098U/08Ă1
- 17 - . PHB.32279.
teilen 7k sind dargestellt.
Die beschriebene wirksame Halbleiterphotokathode kann z,B, in einer Bildumwandlungs- und/oder -verstÀrkerröhre verwendet
werden, die eine evakuierte UmhĂŒllung mit der Photokathode, einem Leuchtschirm und elektrostatischen Mitteln enthĂ€lt,
mit deren Hilfe freie von der Photokathode ausgelöste Elektronen beschleunigt und auf bekannte Weise auf den Schirm
fokussiert werden.
Die Grenzschicht-Gates in den beschriebenen FET-Strukturen können erwtinschtenfalls durch MOS-Gates ersetzt werden. So kann
eine Matrix von FET-Strukturen der in der gleichzeitig eingereichten britischen Patenanmeldung 55687/72 beschriebenen
Art auch verwendet werden, wobei ein einzelnes elektronenemittierendes Element, das einen injizierenden Uebergang
mit p-leitendem Halbleitermaterial aufweist, mit der Source- und/oder Drain-Elektrode jeder Transistorstruktur elektrisch
in Reihe angeordnet wird.
Obwohl in den beschriebenen AusfĂŒhrungsformen die Photokathoden Matrizen von Transistorstrukturen enthalten, mit deren
Drain-Elektroden je ein emittierendes Element elektrisch direkt in Reihe geschaltet ist, ist es einleuchtend, dass die
emittierenden Elemente stattdessen oder ausserdem direkt mit den Source-Elektroden der Strukturen in Reihe geschaltet werden
können. Ueberdies kann eine Photokathode nach der Erfindung nur eine einzige Feldeffekttransistorstruktur enthalten. Eine
solche Photokathode mit einer einzigen Transistorstruktur kann vorteilhaft zur Umwandlung eines modulierten Eingangslaserstrahls
in einen modulierten Ausgangselektronenstrahl verwendet werden,
4096 1 4/0881
Claims (1)
- PATENTAtIPRUECHE:- 18 - PH3.32279.1,1 Halbleiterphotokathode, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Peldeffekttransistorstrukturen vorhanden sind, wobei ein ein injizierender Uebergang mit p-leitendem Halbleitermaterial enthaltendes elektronenemittierendes Element mit der Source- und/oder Drain-Elektrode der oder jeder Transistorstruktur elektrisch in Reihe angeordnet ist, und wobei eine freie OberflĂ€che des genannten p-leitenden Halbleitermaterial nicht wesentlich weiter als eine DiffusionslĂ€nge fĂŒr von dem genannten injizierenden Uebergang emittierte Elektronen von diesem Uebergang entfernt ist, wĂ€hrend die oder jede Transistorstruktur eine Gate-Elektrode zum Erzeugen einer Verarmungsz one in dem Kanal der betreffenden Transistorstruktur enthĂ€lt, die derart angeordnet ist, dass auf die Photokathode gerichtete elektromagnetische Strahlung LadungstrĂ€ger in diesen Verarmungszonen oder innerhalb einer DiffusionslĂ€nge von diesen Verarmungszonen erzeugen kann.2, Photokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede genannte freie OberflĂ€che mit einem Material ĂŒberzogen ist, dessen Austrittspotential geringer als oder gleich dem Abstand zwischen dem Fermi-Niveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes in dem p-leitenden Halbleitermaterial ist.3. Photokathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberzugsmaterial aus ZĂ€sium-Sauerstoff besteht und eine Dicke von nahezu einem MolekĂŒl aufweist.A098U/0881- 19 - PHB.32279.23^5679kt Photokathode nach, einem der vorangehenden AnsprĂŒche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder injizierende
Uebergang ein Uebergang zwischen η-leitendem Halbleitermaterial und dem genannten p-leitenden Material ist«5. Photokathode nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Transistorstruktur vom n-Kanaltyp ist,
wobei das η-leitende Material, das einen Uebergang mit dem
p-leitenden Material bildet, auch den Source- oder den Drain der betreffenden Transistorstruktur bildet.6. Photokathode nach einem der vorangehenden AnsprĂŒche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Feldeffekttransistorstruktur eine Grenzschicht-Gate-Elektrode enthĂ€lt.7. Photokathode nach einem der vorangehenden AnsprĂŒche, dadurch, gekennzeichnet, dass eine Matrix solcher Transistorstrukturen und zugehöriger emittierender Elemente vorhanden ist.8. Photokathode nach AnsprĂŒchen 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass jede Transistorstruktur eine gesonderte Gate-Elektrode enthalt und die Photokathode einen gemeinsamen
Adressierleiter fĂŒr diese Gate-Elektroden aufweist, welcher
Leiter mit jeder Gate-Elektrode ĂŒber eine einzelne Sperrschicht zur Verhinderung des Abfliessens von Ladung von der Gate-Elektrode zu dem Leiter verbunden ist,9. Photokathode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschichten je einen Kondensator enthalten.10. Photokathode nach einem der AnsprĂŒche 7 bis 9 t dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalzonen der Transistorstrukturen alle in einer einzigen Schicht aus Halbleitermaterial liegen.Î0981Î/0881ORIGINAL IMSPECTED- 20 - PHB.32279.11. Photokathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektroden alle nahezu an derselben HauptflĂ€che der genannten Schicht liegen und je eine Konfiguration aufweisen, um eine Verarmungszone erzeugen zu können, die einen Stromweg von einem Source-Anschluss zu einem Drain-Anschluss ftir die entsprechende Transistorstruktur umgibt, wobei mindestens einer der genannten Source- und Drain-AnschlĂŒsse nahezu an derselben genannten HauptflĂ€che liegt und elektrisch mit dieser HauptflĂ€che in Ver? indung steht,12. Photolcathode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Anschluss, der nahezu an derselben genannten HauptflĂ€che liegt, mit dieser genannten HauptflĂ€che ĂŒber das entsprechende emittierende Element verbunden ist.13. Photokathode nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schicht mit der anderen HauptflĂ€che der Halbleiterschicht in Kontakt ist, um eine Verarmungszone zu erzeugen, die sich bis in die Halbleiterschicht erstreckt.14. Photolcathode nach Anspruch 8 und einem der AnsprĂŒche 11 bis 13t dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Adressierleiter auch einen gemeinsamen ZufĂŒhrungsleiter fĂŒr die genannten nahezu an derselben genannten HauptflĂ€che liegenden AnschlĂŒsse bildet,15. Photokathode nach einem der AnsprĂŒche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sourceâ sowie der Drain-Anschluss fĂŒr jede Transistorstruktur nahezu an derselben genannten HauptflĂ€che liegen und mit dieser HauptflĂ€che in elektrischer Verbindung stehen,40981 W0381- 21 - . PIIP.32279.23:Vbo7916» Photokathode nach, einem der AnsprĂŒche 10 bis 15» dadurch gekennzeichnet, dass das p-leitende Material sĂ€mtlicher emittierender Elemente die Form einer einzigen Schicht aufweist, die auf einer HauptflĂ€che der genannten Halbleitermaterialschicht liegt.17» Elektronenröhre, die eine evakuierte UmhĂŒllung mit einer Photokathode nach einem der vorangehenden AnsprĂŒche enthĂ€lt.18, Röhre nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die UmhĂŒllung einen Kathodenleuchtschirm enthĂ€lt, der derart angeordnet ist, dass er Elektronen von der Photokathode empfĂ€ngt,A09814/0881 ORIGINAL INSPECTEDLeerseite
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GB4395772A GB1444542A (en) | 1972-09-22 | 1972-09-22 | Radiation sensitive solid state devices |
GB4395972 | 1972-09-22 |
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