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