DE3538176C2 - Anordnung zum Aufnehmen und Wiedergeben von Bildern mit einer Elektronenstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Aufnehmen oder Wiedergeben von Bildern mit einer Elektro­ nenstrahlröhre mit einer in einer evakuierten Umhüllung vorgesehenen Auftreffplatte und einer Kathode, wobei diese Anordnung weiterhin ein erstes Gitter und ein Schirmgitter mit jeweils einer Öffnung, um von der Kathode ausgestrahlte Elektronen hindurchzulassen, aufweist.

Eine derartige Anordnung ist zum Beispiel aus der US-PS 2 913 612 bekannt.

Bei einer Anordnung zum Aufnehmen von Bildern ist die Elektronenstrahlröhre eine Kameraröhre und ist die Auftreffplatte eine lichtempfindliche, beispielsweise photo­ leitende Schicht. Bei einer Anordnung zum Wiedergeben von Bildern kann die Elektronenstrahlröhre eine Bildröhre sein, während die Auftreffplatte eine Schicht oder ein Muster von Zeilen oder Punkten aus Leuchtmaterial auf­ weist. Eine derartige Anordnung kann auch für Elektronen­ lithographische oder elektronenmikroskopische Anwendungs­ bereiche eingerichtet sein.

In der niederländischen Offenlegungsschrift Nr. 7905470 wird eine Elektronenstrahlröhre dargestellt mit einer sogenannten "kalten Kathode". Die Wirkungsweise dieser Kathode gründet auf dem Austritt von Elektronen aus einem Halbleiterkörper, in dem ein pn-Übergang derart in der Umkehrrichtung betrieben wird, daß Lawinenmulti­ plikation von Ladungsträgern auftritt. Dabei können manche Elektronen soviel kinetische Energie erhalten, wie zum Überschreiten des Elektronenaustrittpotentials notwendig ist; diese Elektronen werden dann an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers frei und liefern auf diese Weise einen Elektronenstrom.

Weil in der evakuierten Umhüllung dennoch immer Restgase zurückbleiben, werden von dem Elektronenstrom aus diesen Restgasen negative und positive Ionen freige­ macht. Die negativen Ionen werden in Richtung der Auf­ treffplatte beschleunigt. Im Falle einer elektrostatischen Ablenkung können sie auf ein kleines Gebiet der Auftreff­ platte gelangen und diese beschädigen oder deren Wirkung beeinträchtigen. Um diese Beschädigung zu vermeiden werden Ionenfallen verwendet. Eine Ionenfalle für negative Ionen ist beispielsweise aus der US Patentschrift Nr. 2.913.612 bekannt.

Ein Teil der positiven Ionen geht unter dem Ein­ fluß in der Röhre herrschender beschleunigender und fokus­ sierender Felder in Richtung der Kathode. Ein Teil davon wird, wenn keine Sondermaßnahmen getroffen werden, auf den Halbleiter gelangen und diesen beschädigen.

Dieses Beschädigen kann ein allmähliches Zerstäuben einer gegebenenfalls vorhandenen Schicht aus einem elek­ tronenaustrittsarbeitsverringernden Material wie beispiels­ weise Cäsium, bedeuten. Eine Neuverteilung oder sogar ein völliges Verschwinden dieses Materials ändern die Emissionseigenschaften der Kathode. Wenn diese Schicht nicht vorhanden ist (oder durch den obengenannten Zerstäu­ bungsmechnismus völlig entfernt ist) kann sogar die Haupt­ oberfläche des Halbleiterkörpers angegriffen werden. Bei einer Halbleiterkathode auf Basis von Lawinenmultiplika­ tion von Ladungsträgern, wie in der niederländischen Offenle­ gungsschrift Nr. 7905470 beschrieben, wobei der emittie­ rende pn-Übergang sich parallel zu der Hauptoberfläche er­ streckt und davon durch eine dünne n-leitende Oberflächen­ zone getrennt ist, ist es möglich, daß durch dieses all­ mähliche Zerstäuben diese Oberflächenzone völlig verschwin­ det, so daß die Kathode nicht länger wirksam ist. Bei einem ähnlichen Typ einer kalten Kathode, wie beschrieben in der am 31. Juli 1979 veröffentlichten niederländischen Patentanmeldung Nr. 7800987 der Anmelderin wird der pn- Übergang an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers frei. Durch die obenstehend beschriebene beschädigende Wirkung in der Elektronenröhre vorhandener positiver Ionen kann sich beispielsweise die Stelle, wo der pn-Übergang an der Hauptoberfläche frei wird, verändern. Dies verursacht ein unstabiles Emissionsverhalten.

In dem zweiten Typ von Elektronenstrahlröhre, bei dem in der Halbleiterkathode ein pn-Übergang in der Vor­ wärtsrichtung betrieben wird, der so genannten negativen Elektronenaffinitätskathode (NEA-Kathode) wird ebenfalls das Emissionsverhalten dadurch beeinflußt, daß wieder ein Zerstäuben erfolgt. Auch hier wird zunächst die Schicht aus dem elektronenaustrittsarbeitsverringernden Material allmählich zerstäubt. Daraufhin wird die pn- leitende Oberflächenzone der Kathode angegriffen bis die Kathode nicht länger wirksam ist. Ähnliche Probleme gelten in bezug auf andere Halbleiterkathoden, wie bei­ spielsweise die Halbleiterkathoden, wie es in den bri­ tischen Offenlegungsschriften Nr. 21 09 159A und 21 09 160A beschrie­ ben wurden.

Es stellt sich heraus, daß durch die obenstehend genannten Verfahren die Lebensdauer mit derartigen Halb­ leiterkathoden hergestellter Elektronenstrahlröhren wesent­ lich verkürzt wird.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei diese Nach­ teile völlig oder teilweise ausgeschaltet sind und zwar dadurch, daß die positiven Ionen zum großen Teil von dem genannten Schirmgitter abgefangen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist dazu das Kennzeichen auf, daß die Kathode einen Halbleiterkörper aufweist, dessen Hauptoberfläche mindestens ein elektro­ nenemittierendes Gebiet aufweist, das in Projektion der Achse der Elektronenstrahlröhre entlang gesehen außerhalb der Öffnung im Schirmgitter liegt und die Öffnung im Schirmgitter kleiner ist als die Öffnung im ersten Gitter.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch diese Maßnahme nur ein geringfügiger Teil der in dem Röhrenteil erzeugten positiven Ionen jenseits des Schirmgitters die Kathode trifft. Außerdem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Halbleiterkathoden mit einer geeignet gewählten Geometrie des emittierenden Teils die von dem Schirmgitter durchgelassenen Ionen diesen emittie­ renden Teil nicht treffen, während nur ein Bruchteil der zwischen der Kathode und dem Schirmgitter erzeugten Ionen, die außerdem eine geringfügige Energie aufweisen, zu der genannten Zerstäubungswirkung beiträgt. Bei einer derartigen Ausbildung ist der Einfluß hoch energetischer Ionen, die jenseits der Elektronenlinse erzeugt werden, nahezu völlig vernachlässigbar.

Eine derartige Halbleiterkathode kann außerdem
mit Vorteil derart ausgebildet sein, daß die Elektronen nahezu aus einem kreisförmigen Kreuzungspunkt emittiert werden mit einer geringen Streuung um einen bestimmten Winkel herum, was elektronenoptisch vorteilhaft ist. Dadurch, daß die Elektronen sich nun gleichsam längs der Oberfläche eines Kegels bewegen, wird die elektronische Leuchtdichte durch Linsen mit sphärischer Aberration weni­ ger verringert.

Vorzugsweise wird dazu eine Halbleiterkathode ver­ wendet, wie diese in der genannten Offenlegungsschrift Nr. 7905470 beschrieben ist, aber auch andere Halbleiterkatho­ den sind möglich, wie beispielsweise NEA-Kathoden oder die Kathoden, die in der genannten Patentanmeldung Nr. 7800978 oder in den britischen Offenlegungsschriften Nr. 2109159 A und 2109160 A beschrieben wurden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen teilweisen Schnitt und eine teilweise Draufsicht einer Halbleiterkathode zum Gebrauch in einer derartigen Vorrichtung.

Die Figuren sind nicht maßgerecht dargestellt, wobei deutlichkeitshalber in den Schnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben sind. Halbleiterzonen von demselben Leitungstyp sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile meistens mit denselben Bezugszeichen angegeben.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Elektronenstrahl­ röhre mit einer innerhalb einer Umhüllung 2 angeordneten Halbleiterkathode 3, in der Emis­ sion von Elektronen durch Lawinenmultiplikation von Elek­ tronen in einem gesperrten pn-Übergang erfolgt. Die Elek­ tronenstrahlröhre weist weiterhin ein erstes Gitter 4 und ein Schirmgitter 5 auf, die, wenn an die richtigen Span­ nungen angeschlossen, elektronenoptisch betrachtet mit der Kathode 3 eine positive Linse bilden. Der nicht darge­ stellte Teil der Elektronenstrahlröhre 1 ist mit einer Auftreffplatte versehen, während außerdem die üblichen Mittel angewandt werden können um einen in der Kathode 3 erzeugten Elektronenstrahl 6 abzulenken. Die Elektronen- emittierenden Gebiete sind in Fig. 1 auf schematische Weise mit Hilfe der Bezugszeichen 13 angegeben.

In der Halbleiterkathode 3 werden in diesem Bei­ spiel Elektronen entsprechend einem ringförmigen Muster erzeugt. Dazu besteht die Kathode 3 aus einem Halbleiter­ körper 7 (siehe Fig. 2) mit einem p-leitenden Substrat 8 aus Silizium, in dem ein n-leitendes Gebiet 9, 10 vorge­ sehen ist, das aus einer tiefen Diffusionszone 9 und einer dünnen n-Schicht 10 an der Stelle des eigentlichen Emissionsgebietes besteht. Um in diesem Gebiet der Durch­ bruch des pn-Überganges zwischen dem p-leitenden Substrat 8 und dem n-leitenden Gebiet 9, 10 zu verringern ist die Akzeptorkonzentration in dem Substrat mittels eines durch Ionenimplantation vorgesehenen p-leitenden Gebietes 11 örtlich erhöht. Elektronenemission erfolgt daher innerhalb der von der isolierenden Schicht 12 freigelassenen ring­ förmigen Zone 13, wo die elektronenemittierende Oberfläche außerdem mit einer monoatomaren Schicht aus elektronen­ austrittspotentialverringerndem Material 33, wie Cäsium versehen ist. Auf der isolierenden Schicht 12 aus beispielsweise Siliziumoxid kann nötigenfalls eine Elek­ trode 14 vorgesehen werden, um die ausgetretenen Elektro­ nen zu beschleunigen bzw. abzulenken; eine derartige Elek­ trode kann auch dazu dienen, dem darunter liegenden Halb­ leiterkörper vor Ladungseffekten, die auftreten können, wenn er von positiven oder abgelenkten Elektronen getrof­ fen wird, zu schützen. Das Substrat 8 wird beispielsweise über eine hochdotierte p-leitende Zone 16 und eine Metalli­ sierung 17 kontaktiert, während das n-leitende Gebiet über eine nicht dargestellte Kontaktmetallisierung ange­ schlossen ist. Die zu kontaktierenden Gebiete sind in mon­ tiertem Zustand (siehe Fig. 1) beispielsweise über An­ schlußdrähte 24 mit Durchführungen 25 in der Wand 2 ver­ bunden. Für eine detailliertere Beschreibung der Halb­ leiterkathode 3 sei auf die genannte niederländische Offenlegungsschrift Nr. 7905470 verwiesen.

Die von der Kathode 3 erzeugten Elektronen werden in der von der Kathode 3 und den Gittern 4 und 5 gebildeten positiven Elektronenlinse beschleunigt. Dadurch,. daß im Gebrauch das Gitter 4 eine niedrige oder sogar negative Spannung aufweist, und das Schirmgitter 5 (Blende) eine positive Spannung aufweist, bilden diese Gitter aus elek­ tronenoptischem Gesichtspunkt eine positive Linse, die den ringförmigen Elektronenstrahl der in der Zone 13 er­ zeugt wird, in einem Kreuzungspunkt 22 konvergieren läßt. Dieser Kreuzungspunkt, der sich etwa an der Stelle der Öff­ nung in dem Schirmgitter 5 (Blende) befindet, ist als reelle Quelle für den eigentlichen Elektronenstrahl wirk­ sam, der daraufhin beispielsweise mit elektromagnetischen Mitteln, abgelenkt wird.

Der Kreuzungspunkt 22 hat an der Stelle der Öffnung in dem Schirmgitter 5 eine gewisse Größe. Diese Größe bestimmt den minimalen Durchmesser der Öffnung in dem Schirmgitter 5, während der maximale Durchmesser durch den Innendurchmesser des ringförmigen Gebietes 13, wo Elek­ tronenemission erfolgt und der in diesem Beispiel etwa 200 µm beträgt, bestimmt wird.

In dem betreffenden Beispiel wird das Gitter 4 bei einer Spannung von 0 V betrieben, während an das Schirmgitter 5 eine Spannung von 265 V angelegt wird. Der Kreuzungspunkt 22 hat dabei einen Durchmesser von 40 bis 50 µm. Für die Öffnung in dem Schirmgitter 5 wird dann beispielsweise ein Durchmesser von 100 µm gewählt.

Wenn nun in der Vakuumröhre 2 durch Zusammenpral­ lung von Elektronen oder auf andere Weise positive Ionen erzeugt werden, werden diese in Richtung der Kathode 3 beschleunigt. Der größte Teil der positiven Ionen wird in dem Teil 18 der Röhre 2 erzeugt und durch die herrschen­ den elektrischen Felder, deren Feldlinien in dem linken Teil der Fig. 1 auf schematische Weise durch die Linien 19 angegeben sind, längs Trajektorien 20 beschleunigt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden nahezu alle Ionen, die in dem Strahl 6 an der Stelle der Ebene 21 erzeugt werden, zu dem Schirmgitter 5 hin beschleunigt. Alle positiven Ionen, die zwischen der Ebene 21 in dem Strahl 6 und dem Kreuzungspunkt 22 erzeugt sind, werden nahezu parallel zu der Achse 31 der Röhre beschleunigt, gehen durch die Öff­ nung in dem Schirmgitter 5 und treffen auf die Kathode 3 in einem Gebiet, das innerhalb des eigentlichen emittie­ renden Teils liegt und in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 23 bezeichnet ist. Das Emissionsverhalten wird dadurch nicht beeinträchtigt; es empfiehlt sich aber die Halb­ leiterkathode, wie hier, mit einer Elektrode 15 zu ver­ sehen, die den darunterliegenden Halbleiterkörper vor Ladungseffekten schützt. Die Elektrode 15 ist daher vor­ zugsweise an eine feste oder veränderliche Spannung ange­ schlossen.

Positive Ionen, die an der Stelle der Ebene 32 in dem Strahl 6 erzeugt werden; treffen auf die Kathode 3 in dem betreffenden Beispiel außerhalb des Gebietes 13 oder überhaupt nicht, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Bei den genannten Spannungen an den Gittern 4, 5 stellt es sich heraus, daß nur ein geringfügiger Teil der Ionen, die in einem Abstand von etwa 100 µm erzeugt sind, den emit­ tierenden Teil der Kathode insbesondere die Cäsiumschicht mit Energien von etwa 40 eV treffen, wodurch die beein­ trächtigende Wirkung in der Röhre erzeugter positiver Ionen auf ein geringfügiges Ausmaß an Zerstäubung des Cäsiums beschränkt bleibt und Kristallbeschädigung ver­ mieden wird. Abhängig von den Spannungen an den Gittern 4, 5 kann in dem genannten Abstand und in der Energie noch eine gewisse Änderung auftreten.

Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung für den Fachmann mehrere Abwandlungen möglich. So können mehrere andere Arten von Halbleiterkathoden gewählt werden, wie die bereits genannten NEA-Kathoden oder die­ jenigen, die in der britischen Patentanmeldung Nr. 8133501 und 8133502 beschrieben wurden. Auch können statt kreisförmiger Muster, beispielsweise für Wiedergabeanord­ nungen, ein oder mehrere zeilenförmige Muster für das Ge­ biet 13 gewählt werden.

Claims (6)

1. Anordnung zum Aufnehmen und Wiedergeben von Bildern mit einer Elektronenstrahlröhre mit einer in einer evakuierten Umhüllung (2) vorgesehenen Auftreffplatte und einer Kathode (3), wobei diese Anordnung weiterhin ein erstes Gitter (4) und ein Schirmgitter (5) mit jeweils einer Öffnung, um von der Kathode (3) emittierte Elektronen hindurchzulassen, aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kathode (3) einen Halbleiterkörper (2) mit mindestens einem an einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (7) elektronenemittierenden Gebiet (13) aufweist, das, in Projektion der Achse der Elektro­ nenstrahlröhre entlang gesehen, völlig außerhalb der Öff­ nung in dem Schirmgitter (5) liegt und die Öffnung in dem Schirmgitter (5) kleiner ist als die Öffnung in dem ersten Gitter (4).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenemittierende Gebiet (13) nahezu ringförmig ist und einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Öffnung in dem Schirmgitter (5).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (7) mehrere elektronenemittierende Gebiete aufweist, die über ein ringförmiges Muster mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Öffnung in dem Schirmgitter (5), nahezu homogen verteilt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens einen pn-Übergang aufweist und zwar zwischen einem an die Haupt­ oberfläche grenzenden n-leitenden Gebiet (10) und einem p-lei­ tenden Gebiet (8), wobei durch Anlegung einer Spannung in der Umkehrrichtung an dem pn-Übergang in dem Halbleiterkörper durch Lawinenmultiplikation Elektronen erzeugt werden, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten und wobei die Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht (12) ver­ sehen ist, in der mindestens eine Öffnung vorgesehen ist und der pn-Übergang wenigstens innerhalb der Öffnung im wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche sich er­ streckt und örtlich eine geringere Durchbruchspannung als der übrige Teil des pn-Überganges aufweist, wobei der Teil mit der geringeren Durchbruchspannung von der Oberfläche getrennt ist durch eine n-leitende Schicht mit einer der­ artigen Dicke und Dotierung, daß bei der Durchbruchspan­ nung die Verarmungszone des pn-Überganges sich nicht bis an die Oberfläche erstreckt, jedoch durch eine Oberflächen­ schicht die dünn genug ist, um die erzeugten Elektronen hindurchzulassen, davon getrennt bleibt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Teil der isolierenden Schicht (12) mindestens eine Elektrode vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hauptoberfläche innerhalb der Öffnung in der isolierenden Schicht mit einer Schicht aus einem elektronenaustrittspotentialverringernden Material ver­ sehen ist.