DE1209666B - Cathode, which consists of a semiconductor body with a pn junction, and secondary electron multiplier and magnetron with such a cathode - Google Patents
Cathode, which consists of a semiconductor body with a pn junction, and secondary electron multiplier and magnetron with such a cathodeInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
HOIjHOIj
Deutsche Kl.: 21g-13/20German class: 21g-13/20
Nummer: 1 209 666Number: 1 209 666
Aktenzeichen: W 28281 VIII c/21:File number: W 28281 VIII c / 21:
Anmeldetag: 30. Juli 1960 Filing date: July 30, 1960
Auslegetag: 27. Januar 1966Opening day: January 27, 1966
Die Erfindung betrifft eine Kathode, die aus einem Halbleiterkörper mit einem pn-übergang besteht, wobei an den pn-übergang eine Spannung in Sperrrichtung angelegt ist.The invention relates to a cathode, which consists of a semiconductor body with a pn junction, a reverse voltage is applied to the pn junction.
Es ist bereits bekannt, daß die Oberfläche eines Halbleiterkörpers als sekundärelektronenemittierende Fläche verwendet werden kann.It is already known that the surface of a semiconductor body as secondary electron-emitting Area can be used.
Es ist auch bereits eine Kathode bekannt, die aus einem Halbleiterkörper mit einem in Sperrichtung bis zum Lawinendurchbruch vorgespannten pn-übergang ίο besteht und auf einer dem pn-Übergang benachbarten Oberfläche einen die Austrittsarbeit herabsetzenden Überzug aufweist. Dadurch werden Elektronen hoher Energie erzeugt, die in den Überzug übertreten und dann in Form eines freien Elektronenstroms emittiert werden.It is also already known a cathode, which consists of a semiconductor body with a reverse bias to the avalanche breakdown biased pn-junction ίο exists and on a neighboring to the pn-junction Surface has a work function-reducing coating. This makes electrons higher Energy is generated that is transferred into the coating and then emitted in the form of a free stream of electrons will.
Eine steuerbare, große Elektronenemission liefernde Kathode wird erfindungsgemäß erhalten, wenn die in Sperrichtung an den pn-Übergang angelegte Spannung kleiner als die Lawinendurchbruchsspan- zo nung ist und der Halbleiterkörper mit Partikeln oder Licht bestrahlt wird.A controllable, large electron emission producing cathode is obtained according to the invention when the The voltage applied to the pn junction in the reverse direction is less than the avalanche breakdown voltage voltage and the semiconductor body is irradiated with particles or light.
Bei dieser Kathode werden die Elektronen in der Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers im Gegensatz zu der oben erläuterten bekannten Kathode durch Beschüß mit Elektronen oder anderen energiereichen Partikeln oder auch durch Bestrahlung mit Licht ausgelöst. Die Zahl der ausgelösten Elektronen und damit die Größe des emittierten Elektronenstroms läßt sich auf einfache Weise durch Änderung der an den pn-Übergang angelegten Sperrspannung einstellen und steuern. Für die außerdem sehr einfach aufgebauten Kathoden ergibt sich dadurch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Sie lassen sich beispielsweise in Sekundärelektronenvervielfachern und Magnetrons einsetzen, bei denen bekanntlich die Erscheinung ausgenutzt wird, daß die bei einem Beschüß mit Elektronen ausgelösten Sekundärelektronen die Zahl der auftreffenden Elektronen überschreiten, so daß eine Elektronenvervielfachung eintritt. Die beschriebenen Kathoden gestatten dabei eine einfache Einstellung des Vervielfachungsfaktors.In the case of this cathode, the electrons are in contrast in the surface layer of the semiconductor body to the known cathode explained above by bombardment with electrons or other high-energy Particles or triggered by exposure to light. The number of electrons released and thus the size of the emitted electron current can be determined in a simple manner by changing the to the Set and control the reverse voltage applied to the pn junction. For those who are also very simply structured This results in a multitude of possible applications for cathodes. You can, for example use in secondary electron multipliers and magnetrons, which are known to exploit the phenomenon that the secondary electrons released when bombarded with electrons is the number of exceed the impinging electrons, so that an electron multiplication occurs. The described Cathodes allow the multiplication factor to be set easily.
Im einzelnen beginnt die Vervielfachung bei einer bestimmten Sperrspannung, die etwa der Hälfte der Lawinendurchbruchsspannung entspricht, und wächst bis zur Lawinendurchbruchsspannung. Die notwendige Sperrspannung Uv zur Erzielung eines bestimmten Sekundärelektronenvervielfachungsfaktors M entspricht im allgemeinen der empirisch aufgestellten Beziehung „In detail, the multiplication begins at a certain reverse voltage, which corresponds to about half the avalanche breakdown voltage, and increases up to the avalanche breakdown voltage. The reverse voltage Uv necessary to achieve a certain secondary electron multiplication factor M generally corresponds to the empirically established relationship "
^ 1 ^ 1
Kathode, die aus einem Halbleiterkörper
mit einem pn-übergang besteht, und
Sekundärelektronenvervielfacher und
Magnetron mit einer solchen KathodeCathode consisting of a semiconductor body
with a pn junction, and
Secondary electron multiplier and
Magnetron with such a cathode
Anmelder:Applicant:
Western Electric Company Incorporated,Western Electric Company Incorporated,
New York, N.Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Fecht, patent attorney,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
George Clement Dacey, Murray Hill, N. J.George Clement Dacey, Murray Hill, N. J.
(V. St. A.)(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. September 1959
(842 964)Claimed priority:
V. St. v. America September 28, 1959
(842 964)
in welcher Ub die Lawinendurchbruchsspannung des pn-Übergangs und η eine Konstante ist, die von der Art des Übergangs und dem Halbleitermaterial abhängt. in which Ub is the avalanche breakdown voltage of the pn junction and η is a constant that depends on the type of junction and the semiconductor material.
Wenn daher die Sperrspannung Uv an dem pn-Übergang in einem Bereich unterhalb, jedoch in der Nähe der Durchbruchsspannung Ub geändert wird, ändert sich in gleicher Weise auch die Anzahl der Majoritätsträger in der dünnen, leitfähigen Schicht in der Nähe der emittierenden Fläche. Da diese Träger die Quelle der für die Sekundäremission verfügbaren Elektronen sind, ändert sich in ähnlicher Weise auch deren Zahl entsprechend der angelegten Sperrspannung. Auf diese Weise entsteht eine nicht thermisch arbeitende Kathode, die einfach aufgebaut ist und deren Emission leicht in weiten Grenzen steuerbar ist. Es zeigtIf, therefore, the reverse voltage Uv at the pn junction is changed in a range below but in the vicinity of the breakdown voltage Ub , the number of majority carriers in the thin, conductive layer in the vicinity of the emitting surface also changes in the same way. Since these carriers are the source of the electrons available for the secondary emission, their number changes in a similar way according to the applied reverse voltage. In this way, a non-thermally working cathode is created, which has a simple structure and the emission of which can easily be controlled within wide limits. It shows
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Sekundärelektronenvervielfachers, F i g. 1 a schematic representation of a secondary electron multiplier,
F i g. 2 und 3 vergrößerte Darstellungen der Kathoden des Gerätes nach F i g. 1 undF i g. 2 and 3 enlarged representations of the cathodes of the device according to FIG. 1 and
F i g. 4 eine schematische perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines Magnetrons mit mehreren Kammern.F i g. 4 is a schematic perspective, partially sectioned illustration of a magnetron with several Chambers.
In F i g. 1 ist in schematischer Form ein Sekundärelektronenvervielfacher üblichen Aufbaus dargestellt,In Fig. 1 is, in schematic form, a secondary electron multiplier usual structure shown,
509 780/334509 780/334
3 43 4
bei dem die beschriebenen Kathoden eingesetzt sind. eine Funktion des Materials, der Form und der Größein which the cathodes described are used. a function of material, shape and size
Der Sekundärelektronenvervielfacher 10 besitzt ein der Sekundärelektronen emittierenden Elektroden undThe secondary electron multiplier 10 has one of the secondary electron emitting electrodes and
Gehäuse 11, das schematisch dargestellt ist. Einzel- der Kathode. Bei der Einrichtung nach F i g. 1 ist dieHousing 11, which is shown schematically. Single the cathode. When setting up according to F i g. 1 is the
heiten, wie der üblicher Quetschfuß u. dgl., sind weg- Größe des Elektronenstroms für jede Elektrode und dieunits, such as the usual pinch foot and the like, are away- size of the electron current for each electrode and the
gelassen worden. Die Anordnung umfaßt eine Ka- 5 Kathode durch die Änderung der Sperrspannung anbeen left. The arrangement comprises a Ka- 5 cathode by changing the reverse voltage
thode 12, eine Prall- oder Fokussierelektrode 13, eine dem pn-Übergang jedes Halbleiterelementes steuerbar.method 12, a baffle or focusing electrode 13, one of the pn junction of each semiconductor element controllable.
Anode 14 und eine Anzahl praktisch identischer, Die Arbeitsweise der Einrichtung nach F i g. 1Anode 14 and a number of practically identical, the operation of the device according to FIG. 1
Sekundärelektronen emittierender Elektroden 151 bis gleicht im wesentlichen der üblicher Sekundärelek-Secondary electron-emitting electrodes 15 1 to is essentially the same as the usual secondary elec-
156. tronenvervielfacher. Wenn also ein Lichtstrahl von15 6 . electron multiplier. So if a ray of light from
Die Anordnung wird in üblicher Weise gehaltert, io der Quelle 33, dessen Intensität sich entsprechend z. B. mittels Scheiben oder Platten aus Glimmer. Die einem Signal ändern kann, auf die Oberfläche der einzelnen Teile sind wie üblich aufeinanderfolgend Kathode 12 auftritt, wird ein Elektronenstrom entlängs der Achse des Gehäuses 11 so angeordnet, daß sprechender Intensität von deren Oberfläche emittiert, sich ein ununterbrochener Weg für die Elektronen Dieser Strom geht dann ohne nennenswerte Verluste ergibt, die von der Kathode 12 und sekundär von den 15 zur Elektrode 151 und anschließend zu den folgenden Elektroden 151 bis 156 emittiert und schließlich auf die Elektroden 152 bis 166, bis der verstärkte Elektronen-Anode 14 treffen. strom an der Anode 14 gesammelt wird.The arrangement is held in the usual way, io the source 33, the intensity of which varies according to z. B. by means of discs or plates made of mica. Which can change a signal on the surface of the individual parts are as usual successive cathode 12 occurs, a stream of electrons is arranged along the axis of the housing 11 so that speaking intensity is emitted from its surface, an uninterrupted path for the electrons This current goes then results without significant losses, emitted from the cathode 12 and secondarily from the 15 to the electrode 15 1 and then to the following electrodes 15 1 to 15 6 and finally to the electrodes 15 2 to 16 6 until the reinforced electron anode 14 meet. Current is collected at the anode 14.
Wie in F i g. 2 dargestellt, weist die Kathode 12 Wie bereits gesagt, ist die Größe der Vervielfachung zwei schräg angeordnete Schirm- oder Prallteile 16 eine Funktion der Lawinendurchbruchsspannung Ub, und 17 sowie einen zentralen rechteckigen Teil 18 für 20 die für eine gegebene Einrichtung fest ist, einer die Elektronenemission auf. In ähnlicher Weise be- Konstanten n, die für alle diffundierten Siliziumsitzen die Sekundärelektronen emittierenden Elek- pn-Übergänge der sogenannten gestuften Art zwischen troden 151 bis 156 (vgl. F i g. 3) einen großflächigen drei und sechs liegt, und der Sperrspannung Uv. Bei Schirmteil 19, einen Flanschteil 20 und einen zentralen dem Sekundärelektronenvervielfacher nach F i g. 1 rechteckigen Teil 21. Die Schirm- oder Prallteile 16, 25 kann daher die Vervielfachung vorteilhafterweise 17, 19 und 20 können in üblicher Weise aus einem während des Betriebs dadurch eingestellt werden, Metallband, beispielsweise einem Silberband, oder daß die Sperrspannungen der einzelnen pn-Übergänge einer Platte bestehen. der Kathode und der Elektroden geregelt werden.As in Fig. 2, the cathode 12 as already stated, the size of the multiplication is two obliquely arranged screen or baffle parts 16 a function of the avalanche breakdown voltage Ub, and 17 as well as a central rectangular part 18 for 20 which is fixed for a given device, one which Electron emission on. Similarly, constants n, which for all diffused silicon seats, the secondary electron-emitting electrode transitions of the so-called stepped type between electrodes 15 1 to 15 6 (cf. Reverse voltage Uv. In the shield part 19, a flange part 20 and a central to the secondary electron multiplier according to FIG. 1 rectangular part 21. The screen or baffle parts 16, 25 can therefore advantageously multiply 17, 19 and 20 can be set in the usual way from a metal band, for example a silver band, or that the blocking voltages of the individual pn- Transitions of a plate exist. the cathode and the electrodes are regulated.
Der mittlere Teil 18 bzw. 21 der Kathode 12 bzw. F i g. 4 zeigt perspektivisch und teilweise im SchnittThe middle part 18 and 21 of the cathode 12 and FIG. 4 shows in perspective and partially in section
der Elektroden 151 bis 156 wird von Halbleiter- 30 ein Magnetron. Der Anodenring 40, mit einer Reiheof the electrodes 15 1 to 15 6 , the semiconductor 30 becomes a magnetron. The anode ring 40, with a row
platten 22 bzw. 23 gebildet, die pn-Übergänge 24 von Kammern 41 weist die übliche Form auf.plates 22 and 23 formed, the pn junctions 24 of chambers 41 has the usual shape.
bzw. 25 enthalten, welche parallel und nahe den Zentral innerhalb des Anodenrings 40 liegt eineand 25, which are parallel and close to the center within the anode ring 40 is a
emittierenden Oberflächen 18 bzw. 21 angeordnet sind. zylindrische Kathode 42, die aus einem Halbleiter-emitting surfaces 18 and 21 are arranged. cylindrical cathode 42, which is made of a semiconductor
Es ist selbstverständlich, daß gewisse Prallteile, z. B. körper besteht. Die Kathode 42 hat eine innereIt goes without saying that certain baffles, e.g. B. body exists. The cathode 42 has an inner one
der Teil 17 der Kathode, ebenfalls aus einem Halb- 35 p-leitende Zone 43 und eine dünne, diffundierte, äußerethe part 17 of the cathode, also from a semi- 35 p-conductive zone 43 and a thin, diffused, outer
leiterkörper mit pn-Übergang bestehen können, wenn η-leitende Zone 44. Niederohmige Elektroden 45Conductor bodies with pn junction can exist if η-conductive zone 44. Low-resistance electrodes 45
zusätzliche emittierende Flächen erwünscht sind. und 46 stellen die elektrischen Anschlüsse an die p-additional emitting surfaces are desired. and 46 make the electrical connections to the p-
Jedes Halbleiterelement der Kathode bzw. der Elek- bzw. η-leitenden Zonen 43 und 44 dar. Eine veränder-Each semiconductor element of the cathode or of the elec- or η-conductive zones 43 and 44 represents.
troden enthält einen pn-Übergang. Die Elemente bare Spannungsquelle, bestehend aus einer Batterie 47troden contains a pn junction. The elements bare voltage source, consisting of a battery 47
können aus jedem geeigneten Halbleitermaterial be- 40 und einem veränderbaren Widerstand 48, liefert diecan be made of any suitable semiconductor material 40 and a variable resistor 48, provides the
stehen. Es ist zu erwähnen, daß im Falle des Siliziums Spannung in Sperrichtung für den pn-Übergang derstand. It should be mentioned that in the case of silicon, reverse voltage for the pn junction of the
die Halbleiterelemente vorteilhafterweise mit einem Kathode.the semiconductor elements advantageously with a cathode.
Oberflächenüberzug aus Caesium oder einem anderen, Die Funktion eines Magnetrons beruht im wesent-Surface coating of cesium or another, the function of a magnetron is essentially based on
die Austrittsarbeit herabsetzenden Material auf den liehen auf dem Vorhandensein einer Elektronenwolkethe work function-reducing material on the borrowed on the presence of an electron cloud
Elektronen emittierenden Flächen versehen werden. 45 oder eines -Stroms im Kathodenraum, der von derElectron-emitting surfaces are provided. 45 or a current in the cathode compartment, which is supplied by the
Das gleiche trifft für Germanium zu. Andere Halb- Oberfläche der zylindrischen Kathode stammt. DabeiThe same is true for germanium. Other semi-surface originates from the cylindrical cathode. Included
leitermaterialien mit einer größeren Energielücke und hängt die Aufrechterhaltung des ElektronenstromsConductor materials with a larger energy gap and depends on the maintenance of the electron flow
kleinerer Austrittsarbeit, beispielsweise Galliumphos- teilweise von Sekundärelektronen ab, die von dersmaller work function, for example Galliumphos- partly from secondary electrons from the
phid, arbeiten auch dann zufriedenstellend, wenn ein Kathodenoberfläche beim Auftreffen von Elektronenphid, also work satisfactorily when a cathode surface is hit by electrons
solcher Überzug nicht vorhanden ist. 50 aus dem Strom emittiert werden. Bei dem Magnetronthere is no such coating. 50 can be emitted from the electricity. By the magnetron
An jedem Halbleiterelement sind zwei Kontakte nach F i g. 4 kann die Sekundäremission innerhalb beangebracht, je einer an jedem Leitfähigkeitsbereich, stimmter Grenzen durch Einstellung der an den um eine Spannung in Sperrichtung an den pn-Übergang pn-Übergang der beschriebenen Kathode angelegten von der gemeinsamen Batterie 26 zu legen. In eine Spannung verändert werden, wie bereits in Verbindung Seite des Vorspannungskreises für jede Kathode sind 55 mit F i g. 1 erläutert.On each semiconductor element there are two contacts as shown in FIG. 4, the secondary emission can be applied within, one at each conductivity range, of certain limits by setting the voltage applied by the common battery 26 to the pn junction pn junction of the cathode described in order to apply a reverse voltage. In a voltage can be changed as already in connection side of the bias circuit for each cathode are 55 with F i g. 1 explained.
veränderbare Widerstände 27a bis 27g eingeschaltet, Zur Einleitung des Betriebs können verschiedeneVariable resistors 27a to 27g switched on. Various
so daß die angelegten Spannungen einzeln eingestellt Mittel vorgesehen sein, die nicht dargestellt sind. Soso that the applied voltages can be individually adjusted by means not shown. So
werden können. Im anderen Zweig liegen feste Wider- kann eine kleine beheizte Kathode in der Nähe descan be. In the other branch there are fixed resistors, a small heated cathode can be placed near the
stände 28a bis 28g, so daß die Oberfläche jeder fol- Kathodenraums angeordnet sein, oder ein Teil derstands 28a to 28g, so that the surface of each foil cathode space or a part of the
genden Elektrode, beginnend mit der Kathode 12 bis 60 Halbleiterkathode 43 kann mit einem getrenntenLowing electrode, starting with the cathode 12 to 60 semiconductor cathode 43 can have a separate
zur letzten Elektrode 15e, eine etwa positivere Spannung pn-Übergang mit eigener Vorspannungsquelle undto the last electrode 15 e , an approximately more positive voltage pn junction with its own bias voltage source and
hat als die vorhergehende. Eine getrennte, regelbare einem Caesiumüberzug auf der η-leitenden Oberflächehas than the previous one. A separate, adjustable cesium coating on the η-conductive surface
Spannungsquelle 29 stellt sicher, daß die Anode 14 ausgestattet werden. Dieser Teil kann unabhängig vonVoltage source 29 ensures that the anode 14 are equipped. This part can be independent of
auf dem höchsten positiven Potential liegt. Die Lei- der übrigen Kathode bis zur Lawinendurchbruchstungen 31 und 32 führen zu einem nicht dargestellten 65 spannung hochgefahren werden, um eine kurzzeitigeis at the highest positive potential. The rest of the cathode up to the avalanche breakthrough 31 and 32 lead to a 65 not shown voltage that is ramped up to a brief period
Verbraucher. Primäremission hervorzurufen. Es besteht auch dieConsumer. Cause primary emission. There is also the
Bei bekannten Sekundärelektronenvervielfachern ist Möglichkeit, die ganze Kathode kurzzeitig bis zurIn known secondary electron multipliers, the entire cathode can be briefly up to
das Anwachsen des Elektronenstroms hauptsächlich Lawinendurchbruchsspannung hochzufahren, um einethe increase in electron current mainly to ramp up avalanche breakdown voltage to a
Primäremission insbesondere von einem kleinen, mit Caesium überzogenen Teil der Kathodenfläche hervorzurufen. To cause primary emission in particular from a small, cesium-coated part of the cathode surface.
Claims (5)
Deutsche Patentschriften Nr. 903 970, 903 971;
ao deutsche Auslegeschrift Nr. 1 037 026;Considered publications:
German Patent Nos. 903 970, 903 971;
Extraordinary German Auslegeschrift No. 1 037 026;
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