DE1002479C2

DE1002479C2 - Strahlendetektor und -verstaerker, insbesondere elektronisches Verteilungssystem

Info

Publication number: DE1002479C2
Application number: DE1952I0006489
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Hyman; Kenneth Albert Matthews
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1951-10-24
Filing date: 1952-10-22
Publication date: 1957-07-25
Also published as: US2886739A; GB692337A; DE1002479B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 002

AN MELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

kl. 21g 18/02

INTERNAT. KL. H 05 g 22.OKTOBER 1952

14. FEBRUAR 1957 25. JULI 1957

stimmt Oberein mit auslegeschrift

1 002 479 (I 6489 VIII c /21 g)

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Anordnungen zum Anzeigen von energiereichen Strahlen oder Teilchen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Amplitude der Ströme oder Impulse, welche durch die Einwirkung¹ solcher Strahlen oder Teilchen erhalten werden, zu verstärken. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Anwendung solcher Strahlendetektoren und -verstärker bei elektronischen Verteilungssystemen.

Die einfachste Form von elektrischen Verteilergeraten besteht aus einer Kathodenstrahlröhre, bei welcher der Fluoreszenzschirm durch eine Anzahl getrennter Auffangelektroden ersetzt ist. Der Elektronenstrahl wird so abgelenkt, daß er über die einzelnen Auffangelektroden streicht, indem eine geeignete periodische Spannung an die Ablenkelemente der Röhre angelegt wird. Dann kann von jeder Auffangelektrode ein Strom erhalten werden, wenn sie der Strahl trifft. Mit dieser einfachen Anordnung können an den Auffangelektroden im allgemeinen nur sehr geringe Ströme erhalten werden, daher wird in den meisten Fällen eine Verstärkung nötig sein. Stärkere Ströme können erhalten werden, wenn man Auffangelektroden von der Art der Sekundärelektronen emittierenden Stoffe verwendet, jedoch sind die dabei erhaltenen Ströme noch verhältnismäßig gering.

Viel stärkere Ströme können erhalten werden, wenn man die Eigenschaften von gewissen 'halbleitenden Stoffen oder Kristallen, wie z. B. Germanium, ausnutzt, welche für elektrische Gleichrichter und Kristalltrioden verwendet werden, wenn man sie mit einer oder mehreren Punkt'kontaktelektrodten oder Nadeln versieht.

Die erwähnten Gleichrichter und Kristalltrioden sind im allgemeinen aus Halbleitern vom N-Typ hergestellt, d. h. aus Halbleitern, bei welchen die Stromleitung mittels freier Elektronen erfolgt. Halbleiter können auch vom P-Typ sein, bei welchen die Stromleitung mittels Defektelektronen erfolgt, welche auch positive Löcher genannt werden. Wenn der Halbleiter aus einem vierwertigenElement, wie z.B. Germanium oder Silizium, besteht, können diese leitenden Eigenschaften durch geringe Verunreinigungen dies Halbleiters vom Dohatortyp, wie z. B. Arsen oder Phosphor, wenn ein Material vom N-Typ gewünscht wird, oder durch Verunreinigungen vom Akzeptortyp, wie z. B. Aluminium, wenn ein Material vom P-Typ erhalten werden soll, hervorgerufen werden. Der gleiche Körper kann aber auch teilweise vom N-Typ und teilweise vom P-Typ sein. Der Halbleiterkörper kann auch so aufgebaut sein, daß zwei Gebiete aneinandergrenzen, die durch eine Trennungslinie oder -fläche voneinander getrennt sind, welche als P-N-Ubergang bezeichnet wird. ^:

Strahlendetektor und -verstärker,

insbesondere elektronisches

Verteilungssystem

Patentiert für:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 24. Oktober 1951

Kenneth Albert Matthews

und Robert.Anthony Hyman, London,

sind als Erfinder genannt worden

Es ist weiter bekannt, daß kristalline Halbleiterkörper mit je einer Schicht von P-Leitfähigkeit und N-Leitfähigkeit bei Belichtung des P-N'-Überganges als Photoelemente wirken und daß der hindurchfließende Strom sich bei Belichtung ändert, wenn die beiden Schichten mit den Polen einer Gleichstromquelle derart verbunden sind, daß sich der P-N-Übergang im Zustand hohen Widerstandes befindet. Zum Anzeigen von energiereichen Strahlen oder Teilchen wurden solche Vorrichtungen bisher jedoch nicht verwendet.

Es ist auch bekannt, daß gewisse Isolierstoffe durch Bombardieren mit energiereichen Teilchen leitend werden, jedoch hat eine derartige Anordnung den bekannten Nachteil, daß die erhaltenen Ströme nur sehr klein sind.

Die Erfindung vermeidet die genannten Nachteile. Sie bezieht sich auf eine Anordnung zum Anzeigen von energiereichen Strahlen oder Teilchen unter Verwendung halbleitender Körper von kontinuierlicher kristalliner Struktur mit je einem Teil von P-Leitfähigkeit und einem Teil von N-Leitfähigkeit, die durch einen flächenhaften P-N-Übergang getrennt sind und die in der Weise an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, daß sich die Sperrschicht im Zustand hohen Widerstandes befindet. Die Anordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß

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die Teile vom einen Leitfähigkeitstyp von größerer Ausdehnung sind als die vom anderen und daß die Teile des anderen Leitfähigkeitstyps mindestens teilweise eine oder mehrere dünne Schichten auf den Teilen vom ersten Leitfähigkeitstyp bilden sowie daß Mittel vorhanden sind, um die Strahlung auf die dünnen Schichten zu richten und um die Änderung des durch die Stromquelle hervorgerufenen Stromes festzustellen oder zu messen.

Bei einer solchen Anordnung werden verhältnismäßig große Ströme erhalten, so daß sich in vielen Fällen eine zusätzliche Verstärkung erübrigt. Durch die besondere Kombination von Maßnahmen wird auch ein besonders einfacher Aufbau und eine besonders vorteilhafte Wirkung der Anordnung erzielt.

Anordnungen gemäß der Erfindung können vorteilhaft als elektronische Verteiler, Impulszähler oder Auslösevorrichtungen für zwei Zustände verwendet werden.

Die Erfindung soll im Hinblick auf die Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen halbleitenden Körper und dient zur Erklärung der grundsätzlichen Wirkungsweise;

Fig. 2 zeigt die Perspektive Ansicht eines Blockes oder Kristalls, der aus einem Halbleiter mit P-N-Übergang besteht; in

Fig. 3 ist ein Strahlendetektorstromkreis gemäß der Erfindung dargestellt; im Schnitt ist ein Strahlendetektor mit P-N-Übergang gezeigt, der aus einem Block, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, hergestellt ist;

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Anordnung von Fig. 3; in

Fig. 5 ist ein elektronisches Verteilungssystem dargestellt, welches aus einer Kathodenstrahlröhre mit Auffangelektroden besteht, welche aus einzelnen Teilen, die der Fig. 3 entsprechen, aufgebaut ist;

Fig. 6 zeigt Einzelheiten der Röhre von Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Auffangelektrode;

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Teiles der Kathodenstrahlröhre, welche in Fig. 5 dargestellt ist, und zwar eine andere Ausführung der Auffangelektrode; in I

Fig. 9 ist eine Elektronenstrahlröhre dargestellt, welche eine Auffangelektrode der Art von Fig. 4 enthält;

Fig. 10 stellt einen . Impulszählstromkreis dar, welcher eine Elektronenstrahlröhre enthält mit einer Auffangelektrode, die aus einem Vielstrahldetektor besteht;

Fig. 11 und 12 zeigen Seiten- und Vorderansicht des Vielstrahldetektors, der in Fig. 10 verwendet ist.

Wie bereits erwähnt wurde, kann ein Germaniumoder anderer Halbleiterkörper sowohl P- als auch N-Leitfähigkeit annehmen. In Fig. 1 ist schematisch' ein Block 1 eines solchen Halbleiters dargestellt, der in bekannter Weise behandelt wurde, so daß auf der linken Seite ein Gebiet entstanden ist, welches P-Leitfähigkeit hat und' mit P bezeichnet ist, und auf der rechten Seite ein Gebiet . von N-Leitfähigkeit, welches mit N bezeichnet ist. Die zwei Teile sind durch einen P-N-Übergang getrennt, der eine sehr dünne Übergangszone bzw. Sperrschicht darstellt, welche durch die gestrichelte Linie 2 angedeutet ist. Der Wechsel des Leitfähigkeitstyps erzeugt an der Sperrschicht 2 keine Unterbrechung der kristallinen Kontinuität des Blockes. Ein Germaniumblock dieser Art kann z. B. auf die Art und Weise hergestellt sein, wie dies in der Literatur beschrieben ist (vgl. z. B.

S. 637 in der Zeitschrift Phys. Rev. vom 15. Februar 1951). Die Elektroden 3 ur d 4 sind z.B. Metallüberzüge, welche an entgegengesetzten Enden des Blockes angebracht sind und mit den entsprechenden An-Schlüssen 5 und 6 verbunden sind.

Im Gebiet mit P-Leitfähigkeit sind einige Atome vorhanden, welche Elektronendefekte enthalten, d. h., es fehlen einige Elektronen, und die zurückbleibenden Fehlstellen werden positive Löcher genannt. Wenn

ίο nun ein elektrisches Feld an den Halbleiter angelegt wird, werden Elektronen von einem Atom zum anderen weitergereicht, um diese positiven Löcher aufzufüllen, und im Endeffekt ist es dann so, als ob die positiven Löcher in der Richtung des angelegten Feldes weiterwandern würden. Sie sind daher die Ursache für die Leitung des elektrischen Stromes in Stoffen vom P-Typ.

Im Gebiet mit N-Leitfähigkeit sind einige Atome vorhanden, welche zusätzliche Elektronen enthalten.

Beim Anlegen eines elektrischen Feldes wandern diese zusätzlichen Elektronen entgegengesetzt der Feldrichtung und verursachen so eine elektrische Leitfähigkeit im N-Material.

Daraus folgt, daß, wenn in der Anordnung von Fig. 1 der Anschluß 5 gegenüber dem Anschluß 6 positiv gemacht wird, positive Löcher über die Sperrschicht 2 nach rechts wandern und von den Elektronen, welche über die Sperrschicht nach links wandern, neutralisiert werden und daß dabei ein verhältnismäßig starker Strom fließt. Der Halbleiter hat bei diesem Zustand einen verhältnismäßig geringen Widerstand.

Wenn jedoch der Anschluß 6 positiv gegenüber dem Anschluß 5 gemacht wird, werden sowohl die positiven Löcher wie auch die Elektronen von der Sperrschicht und voneinander weg wandern, und es sind keine Teilchen mehr da, die den Strom über die Sperrschicht hinwegleiten können. Demnach fließt ein sehr geringer Strom. Der Halbleiter hat daher in diesem Zustand einen sehr hohen Widerstand.

Die im Hinblick auf die Fig. 1 gegebenen Erläuterungen sind eine kurze Zusammenfassung dessen, was üblicherweise als Wirkung eines P-N-Überganges in einen Halbleiter bezeichnet wird.

Wenn in irgendeiner Weise genügend Energie auf die Elektronenhülle eines Atoms eines Halbleiters einwirkt, können Elektronen von dem Atom abgespalten werden, und es wird auf diese Weise ein Paar gebildet, das aus einem Elektron und einem positiven Loch besteht. Beim Germanium z. B. beträgt die dazu benötigte Energie ungefähr 0>75 Elektronenvolt. Diese Energie kann den Atomen zugeführt werden, wenn z. B. ein Lichtstrahl von entsprechender Wellenlänge oder ein Elektronenstrahl auf den Halbleiter auftritt. Es kann auch ein Betastrahl von ausreichender Energie bzw. ein Alphastrahl oderGammastrahl verwendet werden. Solche Paare aus Elektronen und positiven Löchern können auch durch Zuführung von Wärmeenergie erzeugt werden.

■ Wenn ein Halbleiter, welcher einen P-N-Übergang enthält, in den Zustand hohen Widerstandes versetzt ist, so daß praktisch kein Strom fließt, und z. B. ein Elektronenstrahl auf die Oberfläche des Halbleiters gerichtet wird, wie dies in Fig. 1 durch den Pfeil 7 angedeutet ist, wird eine Anzahl von Paaren von Elektronen und positiven Löchern erzeugt, so daß nun bewegliche Ladungen vorhanden sind, welche den Strom transportieren. Wenn der Strahl auf ein Gebiet mit P-Leitfähigkeit gerichtet ist, wandern die erzeugten Elektronen über die Sperrschicht zum An-

Schluß 6 und die positiven Löcher zum Anschluß 5. Ähnlich ist es, wenn der Strahl auf ein Gebiet mit N-Leitfähigkeit, gerichtet wird. Die positiven Löcher wandern wieder über die Sperrschicht nach Anschluß 5, und die Elektronen bewegen sich in Richtung des Anschlusses B. In jedem Falle wird ein starker Anstieg des Stromes zwischen den Anschlüssen 5 und 6 das Ergebnis sein.

Wenn jedoch Paare von Elektronen und positiven Löchern erzeugt werden, so werden sie wahrscheinlich sehr bald rekombinieren, und deshalb sollten sie so nah wie möglich bei der Sperrschicht 2 erzeugt werden, so daß entweder die Elektronen oder die positiven Löcher die Sperrschicht überschreiten, bevor eine merkliche Rekombination eingetreten ist.

Die Erfindung benutzt dieses Prinzip zum Anzeigen von energiereichen Strahlen oder Teilchen, indem Paare von Elektronen und positiven Löchern in einem Halbleiter mit P-N-Übergang erzeugt werden, wobei der Halbleiter in Sperrichtung bzw. Richtung hohen Widerstandes eine Vorspannung erhält.

Die Bombardierung eines Germaniumkristallgleichrichters mit Elektronen oder anderen Strahlen zur Erzeugung von Paaren von Elektronen und positiven Löchern ist an sich bekannt. Dies ist z.B. in dem Aufsatz von Moore und Herman in der Zeitschrift Phy.s. Rev. vom 1. 2. 1951 auf Seite 472 veröffentlicht worden.

Bei dem Element; welches in Fig. 1 dargestellt ist, ist jedoch das Gebiet der Halbleiteroberfläche in unmittelbarer Nachbarschaft dieses Überganges, welches einer Strahlung zugänglich ist, nur sehr klein. Die wesentlich vorteilhafteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind in Fig. 2.und 3 dargestellt. Ein Block 8 aus Germanium oder einem anderen geeigneten halbleitenden Kristall ist so präpariert, daß die Sperrschicht 9 zwischen der P- und der N-Zone der Länge nach verläuft anstatt quer wie in Fig. 1. Aus dem Gebiet mit P-Leitfähigkeit wird ein Stück entfernt, wie dies bei 10 in Fig. 3 dargestellt ist, so daß ein trogförmiges Germaniumstück entsteht. Dieser Einschnitt kann durch Schleifen oder auf eine andere bekannte Weise .vorgenommen werden. Die Dicke des Teiles mit P-Leitfähigkeit zwischen dem Boden des Troges 11 und der Sperrschicht 9 sollte auf den schmalstmöglichen Wert gebracht werden. Eine Dicke von ungefähr 0,01 mm ist anzustreben, aber es kann auch eine Dicke bis zu 0,5 mm verwendet werden. Eine Metallelektrode 12 ist an der Basis des Teiles mit N-Leitfähigkeit durch Plattieren oder auf eine andere bekannte Weise befestigt, und die beiden anderen gleichen Elektroden 13 und 14 sind auf die gleiche Weise an den beiden überstehenden Teilen mit P-Leitfähigkeit jeder an einer Seite des Troges befestigt. ·

Wenn nun ein Elektronenstrahl oder Lichtstrahl auf den Boden 11 des Troges gerichtet wird, werden Paare von Elektronen und positiven Löchern erzeugt, wie dies vorher ausgeführt wurde. Die Schicht mit P-Leitfähigkeit ist in diesem Falle so dünn, daß diese Paare ganz nahe an der Sperrschicht 9 erzeugt werden, wenn die Elektroden 13 und 14 gegenüber der Basiselektrode 12 negativ aufgeladen sind, z. B. indem man eine Gleichstromquelle 15 anschließt, wie dies dargestellt ist. Die Elektronen wandern schnell in die N-Zone, bevor eine Rekombination stattfinden kann. Es soll noch festgehalten werden, daß in diesem Falle Paare von Elektronen und positiven Löchern auf einem verhältnismäßig großen Raum ganz nahe an der Sperrschicht 8 erzeugt werden können, so daß mit einem diffusen Elektronenstrahl starke Ströme erhalten werden können.

Es ist klar, daß, wenn man ein Gleichstrommeßinstrument 16 mit der Stromquelle 15 in Reihe schaltet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die Anordw nung zum Anzeigen und zur Intensitätsmessung von Elektronenstrahlen, Lichtstrahlen, Strahlen von Alphateilchen oder anderen Strahlen verwendet werden kann, wenn der Strahl auf den Boden 11 des

ίο Troges 10 geworfen oder fokussiert wird. Wenn man das Meßinstrument 16 durch ein Relais oder einen Zählkreis (nicht dargestellt) ersetzt, können einzelne schnelle Elektronen oder Alphateilchen gezählt werden.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung der Anordnung von Fig. 3, bei welcher ein schmaler Einschnitt 17 durch die dünne P-Schicht am Boden des Troges 10 gemacht ist, so daß dadurch zwei getrennte Strahlendetektoren, auf einem einzigen Germaniumkristall entstehen, die getrennt von der Stromquelle 15 polarisiert werden können, z. B. über die Wicklungen eines Differentialmeßgerätes 18, um die Differenz der Intensität von zwei Strahlen festzustellen, die auf die beiden Teile des Strahlendetektors einwirken.

Es soll noch hervorgehoben werden, daß die P- und N-Teile der Strahlendetektoren, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt sind, vertauscht werden können, so daß die Vorrichtung dann aus einer dünnen Schicht von N-Leitfähigkeit auf einer starken Schicht von P-Leitfähigkeit besteht. In diesem Falle muß natürlich die Stromquelle 15 umgepolt werden.

Fig. 5 und 6 zeigen die Art und Weise, in der die beschriebenen Einrichtungen in einer Kathodenstrahlverteilerröhre verwendet werden können.

Die Röhre besteht aus der gebräuchlichen konischen Hülle mit einem Halsteil, welches eine der üblichen Elektronenkanonen, welche aus der Kathode 19, dem Gitter 20 und der Beschleunigungselektrode 21 besteht, enthalten. Ein Paar Ablenkplatten ist ebenfalls dargestellt. Diese Elemente können in der üblichen Weise angeordnet sein. In der Zeichnung ist die Befestigung der einzelnen Teile nicht dargestellt, weil sie allgemein bekannt ist.

Am breiten Ende der Röhre ist eine Metallplatte oder ein Band 23 angeordnet, welches drei kleine Löcher 24, 25, 26 in gleichmäßigem Abstand enthält, von denen jedes z. B. 1 mm² Querschnitt hat. Hinter diesen Löchern ist je eine Auffangelektrode 27,28 und 29 angeordnet, von denen jede aus einer Anordnung der Art besteht, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Elektroden 13 und 14 (Fig. 3) von jeder Auffangelektrode können an der Platte 23 angelötet oder auf eine andere Weise befestigt sein, auf beiden Seiten von dem zugehörigen Loch, so daß der Elektronenstrahl, der durch das. Loch fällt, auf den Boden des Troges 11 fällt. Eine Polarisationsstromquelle 30 (Fig. 5) ist mit ihrem negativen Anschluß mit der Platte 23 verbunden, während der positive Anschluß an die Basiselektrode 12 der drei Auffangelektroden über die Vorschaltwiderstände 31, 32 und 33 angeschlossen ist. Die drei Basiselektroden sind an die entsprechenden Ausgangsklemmen 34, 35 und 36 angeschlossen.

Der Elektronenstrahl wird erzeugt, indem eine geeignete Spannung an die Emissionselektroden und an die Platte 23 von der Stromquelle 37 angelegt wird. Die Anordnung ist im Querschnitt dargestellt, um jede Einzelheit deutlich sichtbar zu machen. Der Elektronenstrahl kann so, abgelenkt werden, daß er über die Platte 23 streicht. Dies geschieht durch eine ge-

eignete Kippeinrichtung 38, die an die Ablenkplatten

22 angeschlossen ist. Zu einer bestimmten Zeit fällt der Strahl durch eines der drei Löcher 24, 25 oder 26 und fällt auf die zugehörige Auffangelektrode auf der Rückseite der Platte. Der Widerstand der Elektrode wird stark vermindert, und an den entsprechenden Ausgangsanschlüssen 34, 35 oder 36 werden negative Impulse von großer Amplitude erhalten infolge des Potentialabfalls, welcher auf ein plötzliches Ansteigen des Stromes im zugehörigen Widerstand 31, 32 oder 33 zurückzuführen ist.

Zur Veranschaulichung der Anordnung sind in Fig. 5 zwar nur drei Auffangelektroden dargestellt, aber es kann natürlich eine beliebige Anzahl von Elektroden mit den zugehörigen Löchern an der Platte

23 angeordnet sein. Weiterhin ist es nicht wesentlich, daß sie in gerader Linie angeordnet sind. Sie können z. B. am Umfang einer runden Platte angeordnet sein, wobei der Elektronenstrahl einen kreisförmigen Weg beschreibt. Die Auffangelektroden können auch in einer Anzahl paralleler Linien an einer quadratischen oder rechteckigen Platte angeordnet sein, so daß sie ein Raster bilden und nach Art einer Fernsehröhre abgetastet werden.

Obwohl die Auffangelektroden, welche in Fig. 5 dargestellt sind, vorzugsweise die Form von Fig. 3 haben, können sie auch von einer Form sein,, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 7 zeigt einen Halbleiterblock 38 mit einem P-N-Übergang 39 in Querrichtung, welcher den Halbleiterblock in zwei Hälften teilt. Eine verhältnismäßig starke Metallelektrode 40 ist an der oberen Fläche des P-Teiles befestigt, während die Basiselektrode 41, welche nicht so dick sein muß, an der unteren Fläche des N-Teiles angebracht ist. Ein Zuleitungsdraht 42 kann an der Elektrode 41 angelötet sein.

In Fig. 8 ist ein Teil der Platte 23,. welche sich in der Röhre von Fig. 5 befindet, im Schnitt dargestellt, um die Art der Befestigung einer Auffangelektrode des in Fig. 7 dargestellten Typs zu zeigen. Die Platte 40 ist an der Platte 23 angelötet oder auf andere Weise gut befestigt, und zwar derart, daß die Sperrschicht 39 der Mitte des Loches 24 in der Platte gegenüberliegt. Die Elektrode 40 muß dabei so dick sein, daß die Oberfläche des Halbleiterblockes 38 von der Oberfläche der Platte 23 einen genügenden Abstand hat, so daß der N-Teil mit der Platte nicht in Kontakt kommen kann. Die Platte 40 braucht dabei nicht dicker als ungefähr Y₁₀ mm zu sein.

^ Man kann erkennen, daß beim Durchtreten eines Elektronenstrahls durch das Loch 24 der Strahl den Halbleiterblock bei der Sperrschicht 39 berührt, wobei ein Paar von Elektronen und positiven Löchern an der gewünschten Stelle erzeugt wird.

Wenn die Auffangelektroden alle von dem in Fig. 7 bezeichneten Typ sind, können sie auf die in Fig. 8 gezeigte Weise befestigt werden, und die Anschlüsse der Drähte 42 an den Stromkreis können, wie in Fig. 5 gezeigt, vorgenommen werden. Um die Vorteile der Anwendung von Auffangelektroden mit P-N-Übergängen in Kathodenstraihlverteilerröhren aufzuzeigen, soll eine Anzahl von Beispielen angeführt werden.

Es sei z.B. das Potential der Stromquelle37 in Fig. 5 ungefähr 5000 Volt und der Strom des Elektronenstrahls 20 Mikroampere. Es soll auch unterstellt werden, daß auf einem Kreis von 10 cm Umfang zehn Auffangelektroden angeordnet sind und daß der Elektronenstrahl alle Auffangelektroden in 10 Mikrosekunden überstreicht.

Die Energie beim Überstreichen einer Auffangelektrode beträgt somit 5000 Elektronvolt. Wie vorher festgestellt wurde, beträgt die Energie, welche zur Produktion eines Paares von Elektron und positivem Loch beim Germanium benötigt wird, 0,75 Elektronvolt. Somit kann ein Elektronenstrahl theoretisch 6666 solcher Paare erzeugen. In der Praxis jedoch beträgt die Ausbeute bei der Paarbildung nur ungefähr 7,5%. Demnach können von jedem Elektron nur ungefähr 500 solcher Paare gebildet werden. Die Elektronenvervielfachung ist somit 500. Bei der angenommenen Abtastungsgeschwindigkeit streicht der Elektronenstrahl über die Auffangelektrode ungefähr 0,1 Mikrosekunden, wenn man annimmt, daß die Löcher in der Platte 23 (Fig. 5) 1 mm² Querschnitt haben, so ist die Verstärkung des Elektronenstrahls von 20 Mikroampere 50Ofach. Daher werden in jeder Auffangelektrode Elektronen von 10 Milliampere für 0,1 Mikrosekunden erzeugt. In der Praxis wird der Strom, welcher über die Sperrschicht in der Auffangelektrode fließt, nicht pausenlos erzeugt, und die so erzeugten Elektronen werden nur viel-langsamer entfernt. Zum Beispiel kann auf diese Weise ein Stromimpuls von einer mittleren Amplitude von 1 Milliampere und einer mittleren Dauer von 1 Mikrosekunde erzeugt werden. Es soll dabei erwähnt werden, daß die Verstärkung (ungefähr 500fach), welche in diesem Falle erhalten wird, wesentlich größer ist als diejenige bei Auffangelektroden mit Sekundärelektronenemission, wo die Verstärkung im allgemeinen nur in der Größenordnung von 3 Hegt.

Eine besondere Schwierigkeit, welche bei

Kathodenstrahlverteilungsröhren auftritt, die für die Ranaltrennung bei Mehrkanalübertragersystemen verwendet werden, ist das Übersprechen zwischen benachbarten Auffangelektroden, welche verschiedenen Kanälen angehören. Um einen genügenden Strom von den Auffangelektroden zu erhalten, muß bei Sekundäremission ein starker Strom beim Elektronenstrahl verwendet werden, und infolge der starken Streutendenz des Strahles bei hoher Elektronendichte ist es sehr schwer, den Strahl gut zu fokussieren, so daß die Elektronen nur jeweils eine Auffangelektrode treffen. Wenn man von den Vorteilen der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht, können viel kleinere Strahlströme verwendet werden, und die Streuungs-. Schwierigkeiten und das entstehende Übersprechen werden zum großen Teil vermieden.

Fig. 9 zeigt eine Anwendung der Anordnung von Fig. 4 in einer Elektronenstrahlröhre, welche eine Elektronenkanone 43 von üblicher Ausführung und zwei Ablenkelektroden 44 und 45 enthält. Die Vorrichtung zum Polarisieren der Elektroden (nicht dar-· gestellt) und die Elektronenkanone sind nicht im einzelnen dargestellt. Es können Anordnungen verwendet werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind. Die Elemente des Strahlendetektors haben dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 4; die einzige kleine Abweichung ist die, daß die Elektroden 13 und 14 an den Außenseiten der hochstehenden Teile vom P-Typ angebracht sind anstatt an den Stirnflächen. Die Polarisationsstromquelle 15 ist an die Elektroden 13 und 14 über die beiden gleichen Widerstände 46 und 47 angeschlossen. Die Ablenkplatten 44 und 45 sind je an eine Elektrode 13 und 14 angeschlossen. Diese Anordnung zentriert automatisch den Elektronenstrahl, so daß er auf den Halbleiter in der unempfindlichen Bohrung 17 auf trifft. Dies geschieht folgendermaßen: Wenn der Elektronenstrahl z. B. den oberen Teil des Bodens 11 des Troges trifft, so fließt ein verhältnis-

mäßig starker Strom von der Stromquelle 15 über den Widerstand 47 zur Elektrode 14 und erzeugt eine positive Spannung an der Ablenkplatte 45, so daß der Elektronenstrahl nach unten abgelenkt wird. Im entgegengesetzten Fall, wenn nämlich der Elektronenstrahl den unteren Teil des Bodens 11 trifft, wird eine positive Spannung an der Platte 14 über den Widerstand 46 erzeugt, und der Elektronenstrahl wird nach oben abgelenkt. So wird jede Tendenz des Elektronenstrahls, von seiner Mittellage abzuweichen, verhindert. Wenn nun z. B. ein kurzer negativer Impuls am Anschluß 48, welcher an die Platte 45 üibe<r dem Blockierungskondensator 49 angeschlossen ist, angelegt wird, so wird der Elektronenstrahl momentan nach oben abgelenkt, und am Ausgangsanschluß 50, der an die Platte 45 über dem Blockierungskondensator 51 angeschlossen ist, wird ein positiver Ausgangsimpuls erhalten. Beim Verschwinden des angelegten Impulses wird der Elektronenstrahl wieder automatisch auf die Bohrung 17 zentriert. Wenn ein positiver Eingangsimpuls angelegt wird, wird der Elektronenstrahl in entgegengesetzter Richtung abgelenkt, und der Ausgangsimpuls wird am Anschluß 52 erhalten, welcher an die Platte 44 über einen Blockierungskondensator 53 angeschlossen ist. Danach wird der Elektronenstrahl automatisch zentriert, wie dies vorher auegeführt wurde. Die Anordnung kann so zur Trennung von positiven und negativen Impulsen verwendet werden.

Es soll noch erwähnt werden, daß beim Anlegen eines negativen Impulses am Anschluß 48 und beim Vertauschen der Verbindungen zwischen den Platten 44 und 45 und den Widerständen 46 und 47 der Elektronenstrahl in der nach oben abgelenkten Lage gehalten wird und daß bei nachherigem Anlegen eines positiven "Impulses er in die nach unten abgelenkte Position umgeschaltet und in dieser Lage festgehalten wird, von wo er dann wieder durch Anlegen eines negativen Impulses usw. umgeschaltet werden kann. Die Anordnung bildet demnach einen Auslosestromkreis mit zwei Zuständen, welcher in beiden Fällen stabil ist.

Fig. 10, 11 und 12 zeigen die Anwendung einer Mehrstrahldetektorröhre, welche eine Weiterentwicklung der Anordnung von Fig. 4 darstellt. Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung, die in diesem Falle als Zählvorrichtung im Innern der Elektronenstrahlröhre angeordnet ist, Fig. 11 zeigt die Auffangelektrodenainordnung von' der Seite der Elektronenkanone aus gesehen, und Fig. 12 zeigt einen Grundriß des Halbleiterkörpers.

Die Anordnung besteht aus einem rechteckigen Block 54 aus Germanium oder einem anderen geeigneten Halbleiter, der aus zwei Teilen mit N- und P-Leitfähigkeit besteht, welche durch eine Sperrschicht 55 (gestrichelt) getrennt sind. Eine Basiselektrode 56 ist an der Oberfläche mit N-Leitfähigkeit befestigt. Der Block ist L-förmig im Querschnitt, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Diese Form kann durch Schleifen oder andere geeignete Verfahren erhalten werden. Die Oberfläche 57 ist von der Sperrschicht 55 durch eine dünne Schicht von P-Leitfähigkeit getrennt. Der Block ist dann in sechs gleichmäßig große Teile durch fünf Querschnitte 58 aufgeteilt, welche bis durch die Sperrschicht 55 hindurchgehen wie im Fall von Fig. 4. Die rückwärtige Fläche jedes P-Teiles, wie in Fig. 10 dargestellt, ist an einer Elektrode 59 befestigt, wie dies noch deutlicher in Fig. 11 und 12 zu sehen ist. Auf diese Weise erhält man sechs getrennte Strahlendetektoren, von denen jeder einen getrennten PN-Übergang bzw. eine Sperrschicht hat und die den N-Teil des Blockes gemeinsam haben.

Die Vorrichtung 54 ist in dem Rohr so angeordnet, daß der Elektronenstrahl die Teile 57 jedes Strahlendetektors nacheinander überstreicht, wenn er durch ein geeignetes Potential an den Platten 44 und 45 abgelenkt wird.

Die Vorspannungsstromquelle 15 ist mit ihrem positiven Anschluß an die Basiselektrode 56 und mit

ίο ihrem negativen Pol an das geerdete Ende der Widerstandskette 60 bis 65 angeschlossen, deren Verbindungsstellen nacheinander mit den jeweiligen Elektroden 59 der sechs Strahlendetektoren verbunden sind. Die Anschlußleitungen zum Anschluß 59 der Strahlen detektoren sind dort gestrichelt dargestellt, wo sie hinter dem Block verlaufen. Das von der Stromquelle 15 abgewandte Ende des Widerstandes 65 ist an die untere Ablenkplatte 45 angeschlossen. Die Platte 45 ist an den Eingangsanschluß 48 über den Kondensator 49 angeschlossen, ähnlich wie in Fig. 9. Eine geeignete geerdete Stromquelle 66 kann, gegebenenfalls über einen großen Widerstand 67, an die obere Ablenkplatte angeschlossen sein.
. Es soll nun angenommen werden, daß der Elek-

a5 tronenstrahl z. B. auf den zweiten Strahlendetektor von oben gerichtet ist, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die Werte der Widerstände 60 und 61 werden so· gewählt, daß das an der Platte 45 anliegende positive Potential, welches vom Strom, der durch den zweiten Detektor fließt, erzeugt wird, gerade so groß ist, daß der Elektronenstrahl stabil in der abgelenkten Lage gehalten wird. Wenn nun ein positiver Impuls am Anschluß 48 angelegt wird, dessen Amplitude genügt, um den Strahl nach unten zum zweiten Strahlendetektor abzulenken, so wird der Ablenkstrom nun vom dritten Detektor abgezweigt und fließt über die Widerstände 60, 61 und 62. Das an der Platte 45 anliegende positive Potential wird dadurch verstärkt, und der Widerstand 62 kann nun so gewählt sein, daß der Elektronenstrahl gerade in der neuen Position gehalten wird. Es ist klar, daß auf diese Weise durch nacheinander einwirkende positive Impulse der Elektronenstrahl nacheinander von einem Strahlendetektor zum nächsten nach unten weitergeschaltet werden kann.

Weiterhin kann durch Anlegen von negativen Impulsen an Stelle der positiven Impulse der Strahl auf dieselbe Weise stufenweise nach aufwärts abgelenkt werden. Natürlich können gegebenenfalls auch negative Impulse an die obere Platte 44 angelegt werden, um den Strahl stufenweise nach unten abzulenken, oder positive Impulse, um ihn nach oben abzulenken.

Eine Anordnung zum Zählen mehrerer Impulse ist

in den Figuren nicht dargestellt,' kann aber leicht gemaß dem Erfmdungsgedanken konstruiert werden, wenn man die bekannten elektronischen Zählvorrichtungen als Grundlage nimmt.

Die in Fig. 10 dargestellten Widerstände 60 und 65 sollen im Vergleich mit dem effektiven Widerstand eines einzelnen Strahlendetektors, der von einem Elektronenstrahl getroffen wird, klein sein. Ihre Werte werden am besten so gewählt, daß das an der Platte 45 anliegende Potential so groß ist, daß der Elektronenstrahl gerade auf den Strahlendetektor abgelenkt bleibt, zu dem er mittels eines Eingangsimpulses abgelenkt wurde.

Nachdem die Prinzipien der Erfindung im Hinblick auf die Figuren mit verschiedenen Ausführungsformen und Abwandlungen beschrieben wurden, soll noch einmal herausgestellt werden, daß die Beschrei-

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bung nur ein Beispiel darstellt und keine Begrenzung des Erfindungsgedankens bedeuten soll.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Anzeigen von energ.iereidhen Strahlen oder Teilchen unter Verwendung halbleitender Körper von kontinuierlicher kristalliner Struktur mit je einem Teil von P-Leitfähigkeit und einem Teil von N-Leitfähigkeit, die durch einen flächenhaften P-N-Übergang getrennt sind und die in der Weise an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, daß sich die Sperrschicht im Zustand hohen Widerstandes befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile vom einen Leitfähigkeitstyp von größerer Ausdehnung sind als die vom anderen und daß die Teile des anderen Leitfähigkeitstyps mindestens teilweise eine oder mehrere dünne Schichten auf den Teilen vom ersten Leitfähigkeitstyp bilden sowie daß Mittel vorhanden sind, um die Strahlung auf die dünnen Schichten zu richten und um die Änderung des durch die Stromquelle hervorgerufenen Stromes festzustellen oder zu messen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Halbleiterblock, der aus einem großen Teil von bestimmtem Leitfähigkeitstyp besteht, auf dem rechteckige dünne Schichten vom anderen Leitfähigkeitstyp nebeneinander in einer Linie angeordnet und voneinander durch Einschnitte, welche die Sperrschicht bzw. den P-N-Übergang durchdringen, getrennt sind.

3. Anordnung.nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörperblock, bei dem die Sperrschicht bzw. der P-N-Übergang in einer Ebene parallel zu einer Begrenzungsfläche verläuft, sowie dadurch, daß der eine Teil einen, Einschnitt senkrecht zur Sperrschicht bzw. zum P-N-Übergang hat und der Boden des Einschnittes parallel zur Sperrschicht verläuft, so daß eine dünne Schicht von nicht mehr als 0,5 mm Dicke von dem ersten Teil oberhalb der Sperrschicht übrigbleibt, daß ein Paar Metallelektroden an den nach oben stehenden Teilen des entstandenen, Troges und eine Metallelektrode an der Oberfläche des Teils von anderer Leitfähigkeit angebracht sind und daß Mittel vorhanden sind,, um die Strahlen bzw. Teilchen auf den Boden des Troges,

d. h. auf die dünne Schicht zu lenken.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf den nach oben stehenden Teilen des Troges in einer Ebene angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Troges durch die dünne Zwischenschicht hindurch einen Einschnitt hat in solcher Weise, daß der erste Teil der zwei Teile von verschiedener Leitfähigkeit dabei durchtrennt wird, so daß dadurch mit dem gemeinsamen, Körper entgegengesetzter Leitfähigkeit zwei getrennte Strahlendetektoren, mit getrennten Sperrschichten entstehen.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um den beiden Strahlendetektoren aus der Stromquelle getrennte Vorspannungen zu verleihen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel aus einem Stromanzeigeinstrument bestehen, welches ein Paar von Differentialwicklungen enthält, die an einen Anschluß der Stromquelle und jede an eine Elektrode angeschlossen sind, und daß der andere Anschluß der Stromquelle an die Basiselektrode angeschlossen ist.

8. Stromkreisanordnung unter Verwendung von Anordnungen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper als

. Auffangelefctro.de in einer Elektronenstrahlröhre angeordnet ist und Mittel vorhanden, sind, um den Elektronenstrahl auf die Auffangelektrode in der Nähe der Sperrschicht zu lenken und durch den Stromanstieg einen Ausgangskreis zu beeinflussen.

9. Elektronisches Verteilungssystem unter Verwendung von Anordnungen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere halbleitende Körper als Auffangelektroden in einer Elektronenstrahlröhre angeordnet sind und daß Mittel vorhanden sind, die den Elektronenstrahl nacheinander auf die einzelnen halbleitenden Körper in die Nähe der Sperrschicht lenken, und weitere Mittel, um die Ausgangsimpulse von dien einzelnen Halbleiterkörper abzunehmen.

10. Elektronisches Verteilungssystem nach Anspruch 9 unter Verwendung von Halbleiteranordnungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an den beiden stehengebliebenen. Teilen des Troges in einer Ebene angeordnet und an einer Metallplatte befestigt sind, die gegenüber dem Boden des Troges eine öffnung aufweist, und der Elektronenstrahl die öffnung von der anderen Seite der Platte überströmt.

11. Elektrisches Verteilungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der Stromquelle an die Basiselektrode einer jeden Auffangelektrode über einen Widerstand angeschlossen ist und daß der andere Anschluß der Stromquelle mit der Metallplatte verbunden ist und; daß an die Basiselektrode ein Ausgangskreis angeschlossen ist, um die Ausgangsimpulse jeder Elektrode aufzunehmen.

12. Stromkreisanordnung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung nach Anspruch 6 verwendet wird, bei der die gleiche Stromquelle den beiden getrennten Sperrschichten bzw. P-N-Übergängen eine Vorspannung über zwei gleiche Widerstände verleiht.

13. Stromkreisanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Ablenkelementen den Elektronenstrahl in einer solchen Weise ablenkt, daß er jeden Teil der genannten Schicht überstreichen kann.

14. Stromkreisanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialabiall an den Widerständen an die entsprechenden. Ablenkelemente in einer solchen; Weise angelegt wird, daß der Elektronenstrahl automatisch zwischen den zwei Teilen der genannten Schicht zentriert wird.

15. Stromkreisanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialabfall an, den Widerständen so an die entsprechenden Ablenkelemente angelegt wird, daß der Elektronenstrahl auf den Teil der Schicht abgelenkt bleibt, wohin er gerichtet wurde.

16. Stromkreisanordnung nach Anspruch 8 mit einer Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ablenkelemente vorhanden sind, die den Elektronenstrahl nacheinander auf die einzelnen rechteckigen dünnen Schichten lenken, daß die gleiche Stromquelle zur Erzeugung der Vorspannung für den P-N-Übergang über eine Widerstandsschaltung mit den genannten El'ek-

troden verbunden ist, daß die Ablenkelemente so an die Widerstandsschaltung angeschaltet sind., daß der Elektronenstrahl nach der Ablenkung auf eine der dünnen Schichten in dieser Position gehalten und daß er durch geeignete elektrische Impulse von einer Schicht zur nächsten weitergeschaltet wird.

17. Anordnung oder System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Germanium besteht.

18. Anordnung oder System ,nach Anspruch 2 bis 7 oder 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil P-Typ-Leitfähigkeit besitzt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 836 826; USA.-Patentschriften Nr. 2 402 662, 2 537 388, 543 039;

»Physical Review«, Bd. 83, 1951, S. 157.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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