DE1099653B

DE1099653B - Halbleiter-Elektronenemitter, dessen Oberflaeche einen evakuierten Raum begrenzt

Info

Publication number: DE1099653B
Application number: DEM39932A
Authority: DE
Inventors: Robert Stratton
Original assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Current assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Priority date: 1957-12-16
Filing date: 1958-12-13
Publication date: 1961-02-16
Also published as: GB853352A; US3114070A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Elektronenemitter aus einem Halbleiterkörper, dessen Oberfläche einen evakuierten Raum begrenzt.

Es ist bereits eine Anordnung zur Erzeugung eines freien Elektronenstromes aus einem Halbleiterkörper vorgeschlagen worden, bei dem auf einem Teil der einem pn-übergang auf dem Körper benachbarten Oberfläche ein Überzug aus einem die Elektronenaustrittsarbeit verringernden Material aufgebracht ist; an dem pn-übergang liegt eine Spannungsquelle und spannt diesen in Sperrichtung bis über den Punkt hinaus vor, bei dem die Spannung infolge Lawinenbildung zusammenbricht; die Größe der Spannung ist dabei derart gewählt, daß die Elektronen aus dem Halbleiterkörper in den Überzug übertreten.

Um einen freien Elektronenstrom aus einem Halbleiterkörper unterhalb des Punktes, bei dem eine Lawinenbildung einsetzt, zu erzeugen und damit eine übermäßige Erhitzung des Halbleiterkörpers undmög- " liehe Wärmeschäden zu vermeiden, besteht gemäß der Erfindung der Halbleiter aus einem Element oder aus den Verbindungen der Elemente der Gruppe IV des Periodischen Systems und erhält eine impulsförmige Hochspannung zugeführt.

Die Hochspannung wird in Form von Impulsen angelegt, damit ein starkes elektrisches Feld ohne Überhitzung des Halbleiters erhalten wird.

Durch Anlegung eines starken elektrischen Feldes an einen solchen Halbleiter kann die Elektronenenergie bis auf einen Wert gebracht werden, der einer Kathodentemperatur entspricht, die ein Vielfaches des Schmelzpunktes des Kathodenmaterials beträgt; da der Emissionsstrom exponentiell auf die Energie bezogen ist, kann er auf diese Weise bis auf einen sehr großen Wert gesteigert werden.

Wenn ein elektrisches Feld an einen beliebigen Elektronenleiter angelegt wird, werden dem freien Elektronengas sowohl die Energie als auch das Moment geliefert, wie allgemein bekannt ist. Während das Elektronengas als Ganzes in Feldrichtung zu driften beginnt, also ein Strom fließt, nimmt auf diese Weise die kinetische Energie der Elektronen bis auf einen Wert über seinem statischen Gleichgewichtswert zu. Das Elektronengas seinerseits liefert dem Kristallgitter durch Kollisionen zwischen den Elektronen und den thermischen Gitterschwingungen eine Energie und ein Moment, wobei das erstere der bekannten Jouleschen Erwärmung des Leiters entspricht.

Im stetigen Zustand erreicht das Elektronengas eine mittlere kinetische Energie und ein mittleres Moment, für die die hinzukommenden und weggehenden Beträge der Energieänderung und der Momentenänderung genau miteinander im Gleichgewicht stehen. Die mittlere kinetische Energie des Elektrons im stetigen Halbleiter-Elektronenemitter,

dessen Oberfläche einen evakuierten

Raum, begrenzt

Anmelder:

Metropolitan-Vickers

Electrical Company Limited,

London

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Dezember 1957

Robert Stratton, Ashton-on-Mersey, Sale, Cheshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Zustand kann durch eine wirksame Elektronentemperatur T angegeben werden, die von dem angelegten Feld abhängt und die Gittertemperatur T_? übersteigt. Für ein schwaches angelegtes Feld ist die Temperatur T nur ein wenig größer als die Temperatur T₀, und die Driftgeschwindigkeit ist dem Feld proportional; es wird also das Ohmsche Gesetz eingehalten. Wenn jedoch das angelegte Feld genügend stark ist, ist die Temperatur T beträchtlich größer als die Temperatur T₀ und tatsächlich größer als der Schmelzpunkt des Kristallgitters. Dieser Effekt ist mit einer Abnahme des Verhältnisses von der Driftgeschwindigkeit zum angelegten Feld, also der Beweglichkeit begleitet. Um diesen »Heißelektroneneffekt« zu erzielen, sind Felder erforderlich, die eine übermäßige Erwärmung des Gitters und damit einen Gitterbruch bewirken würden, wenn sie eine gewisse Zeit lang angelegt werden. Aus diesem Grund müssen impulsartig aufeinanderfolgende Felder Verwendung finden, die nicht so lang anhalten, daß eine übermäßige Erwärmung stattfindet. Eine mäßige Erwärmung des Gitters würde vorteilhaft sein, wenn diese zu vergrößerten Elektronendichten führen würde.

Wenn auch dieser Effekt bei allen Elektronenleitern auftritt, werden doch die höchsten Elektronentemperaturen bei einem vorgegebenen Feld in gleichwertigen Halbleitern, z. B. Ge, Si oder SiC, infolge der relativ

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schwachen Wechselwirkung zwischen den -Elektronen und den thermischen Gitterschwingungen, also der hohen Beweglichkeiten erreicht.

Das maximale angelegte elektrische Feld muß bei dem speziell verwendeten Material kleiner als das Feld sein, das einen elektrischen Durchschlag hervorruft. Es müssen daher Halbleiter mit einer genügend breiten, verbotenen Energielücke (Energieunterschied zwischen der Unterkante des Leitfähigkeitsbandes und der Oberkante des Wertigkeitsbandes) benutzt werden, damit große Elektronenenergien möglich sind, bevor eine Elektronenlawine durchzuschlagen beginnt.

Wie hervorgehoben sei, kann ein gewisser Grad der Elektronenvervielfachung durch Ionisation infolge Aufprallen zulässig und tatsächlich vorteilhaft sein, um die Zahl verfügbarer Elektronen zu vergrößern, vorausgesetzt, daß diese Zunahme nicht zu einem lawinenartigen Durchschlag führt.

Die Erzeugung hoher Elektronentemperaturen und möglicherweise gesteigerter Elektronendichten führt zu sehr großen Glühemissionsströmen aus der freien Oberfläche einer Halbleiterkathode, die bei weitem diejenigen übersteigen, die.durch die übliche Erwärmung der Kathode als Ganzes erreicht werden können.

Eine weitere Verbesserung ist durch einen Überzug der Halbleiterkathode mit einer Substanz mit einer geringen Austrittsarbeit, z. B. mit Cäsium möglich.

Zum besseren Verständnis der beschriebenen Anordnung werden die Fig. 1 bis 4 beschrieben, die vier Ausführungsbeispiele zeigen.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät enthält im wesentlichen eine Grundplatte 1 aus einem leitenden Material, z. B. Kupfer, und trägt mit Hilfe eines isolierenden Hohlzylinders 3 eine weitere Platte 2. Von der Platte 2 aus führt ein Stäbchen 4 abwärts, das an seinem Ende eine scheibenförmige Anode 5 trägt. Eine Halbleiterscheibe 6 ist aus einem isolierenden Block 7 angebracht, der seinerseits auf der Grundplatte 1 getragen wird. Streifenartige Leiter 8 und 9 führen von den entgegengesetzten Kanten des Halbleiters 6 zu einer Ringelektrode 10 aus Kupfer bzw., zum Anschluß 1. Diese Anschlüsse sind mit einem Impulsgenerator 12 verbunden. Gleichzeitig wird von einer Hochspannungsquelle 13 eine starke Gleichspannung zwisehen der Anode und Kathode angelegt.

Fig. 2 zeigt eine andere Anordnung, bei der das Gerät mit dem Halbleiter die Form einer zylindrischen Diode hat. Ein Halbleiterstäbchen 15 ist zwischen Anschlußblöcken 16 und 17 montiert, die von scheibenförmigen Isolatoren 18 getragen werden; die Scheiben sind in einem leitenden Zylinder 20 untergebracht.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der der Halbleiter die Form eines Hohlzylinders 21 besitzt. An diesem werden Spannungsimpulse vom Impulsgenerator 12 angelegt, der mit verlängerten, leitenden Ringen 22 und 23 in Verbindung steht. Die Anodenscheibe 5 befindet sich in diesem Fall innerhalb des verlängerten Ringes 23. Das die Anode 5 tragende Stäbchen 4 kann in irgendeiner Weise gehaltert sein und wird nach der Figur von einer isolierenden Platte 24 gehalten, die auf dem Ende des Ringes 13 liegt.

Fig. 4 zeigt das in Fig. 3 dargestellte Gerät, das jedoch mit Beschleunigungselektroden versehen ist. Diese haben die Form von Ringen 25, 26., die in Längsrichtung durch einen isolierenden Ring 27 voneinander und gegenüber dem Ring 23 von einem isolierenden Ring 28 getrennt sind.

An die Ringe 25 und 26 werden von Batterien Beschleunigungspotentiale geliefert, die zwischen dem Potential des Ringes 23 und dem der Anode 5 liegen. In allen diesen Fällen ist das Innere des Gerätes evakuiert.

Die Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 bilden je einen inneren Raum, der sich evakuieren läßt; während nach den Anordnungen der Fig. 3 und 4 die verschiedenen Elektroden und Isolatoren gegenseitig mit ihrem Ende aneinandergeschmolzen sind und einen Hohlzylinder bilden, dessen eines Ende vom Isolator 24 und dessen anderes Ende von einer Scheibe 29 abgeschlossen werden, die quer zum Innenraum des Ringes 23 verläuft und vorzugsweise aus einem isolierenden Material besteht, obwohl sie auch leitend sein kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenemitter aus einem Halbleiterkörper, dessen Oberfläche einen evakuierten Raum begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einem Element oder aus den Verbindungen der Elemente der Gruppe IV des Periodischen Systems besteht und eine impulsförmige Hochspannung zugeführt erhält.

2. Elektronenemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Silizium oder Germanium ist.

3. Elektronenemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Siliziumkarbid ist.

4. Elektronenemitter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Form eines Hohlzylinders aufweist und die impulsförmige Hochspannung an den beiden Enden angelegt ist.

5. Elektronenemitter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Form eines flachen Blockes oder einer Scheibe aufweist.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 037 026.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen