DE1226716B

DE1226716B - Kaltkathode, die aus einem dotierten Halbleiter-koerper besteht

Info

Publication number: DE1226716B
Application number: DEC18655A
Authority: DE
Inventors: Pierre Aigrain
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1958-03-24
Filing date: 1959-03-23
Publication date: 1966-10-13
Also published as: GB923143A; CH363096A; US3098168A; ES248096A1; BE576940A; FR1204367A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche Kl.: 21 g -13/20

Nummer: 1226716

Aktenzeichen: C 18655 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. März 1959

Auslegetag: 13. Oktober 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathode, u ie aus einem dotierten Halbleiterkörper besteht, an dem zur Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb des Halbleiters Elektroden angeordnet sind.

Nach einem älteren Vorschlag ist bei einer Kaltkathode dieser Art der Halbleiterkörper entweder teilweise vom Leitfähigkeitstyp η und teilweise vom " eitfähigkeitstyp p, so daß ein pn-übergang in dem Körper besteht, oder vollständig vom Leitfähigkeitstyp p, so daß ein Spitzenübergang an der Oberfläche besteht. Die Wirkung beruht dabei auf der Erscheinung des Lawinenzusammenbruchs. Diese Erscheinung tritt im Innern eines pn-Übergangs auf und setzt daher das Vorhandensein eines solchen Übergangs zwingend voraus.

Es ist andrerseits eine Kathode bekannt, bei welcher zur Erzeugung der Elektronenemission die Erscheinung der Oberflächenleitfähigkeit ausgenutzt wird. Zu diesem Zweck wird ein Strom entlang fadenförmigen Bahnen geschickt, die an der Oberfläche des Halbleiters vorhanden sind; dieser Strom erhitzt den Halbleiter entlang diesen Bahnen so weit, daß eine Elektronenemission stattfindet. Bei dieser bekannten Kathode findet also in Wirklichkeit eine thermische Emission statt, wenn auch nicht der ganze Halbleiter auf die Emissionstemperatur gebracht wird.

Demgegenüber ist das Ziel der Erfindung die Schaffung einer Kaltkathode der eingangs angegebenen Art, bei welcher ohne Vorhandensein eines pn-Übergangs eine kalte Emission mit großem Emissionsvermögen stattfindet.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper vom Leitfähigkeitstyp η ist, daß die Elektroden so angebracht sind, daß zwischen ihnen entweder ein zur emittierenden Oberfläche senkrecht verlaufendes oder ein zur emittierenden Oberfläche parallel verlaufendes elektrisches Feld herrscht, und daß Mittel zur Kühlung des Halbleiterkörpers vorgesehen sind.

Die Wirkung der beschriebenen Kaltkathode beruht darauf, daß die im Halbleitermaterial enthaltenen freien Elektronen durch das an den Halbleiter gelegte elektrische Feld direkt auf eine Energie beschleunigt werden, die zum Austritt aus dem Halbleitermaterial ausreicht. Die Kühlung des Halbleiterkörpers soll jede unerwünschte Erwärmung verhindern, da diese den Emissionsvorgang nur stören würde.

Die Kaltkathode weist im Vergleich zu den bekannten Kathoden mit thermischer Emission den Vorteil einer großen Lebensdauer, im Vergleich zu den üblichen Kaltkathoden den Vorteil eines großen Emissionsvermögens auf. Man kann ferner für den Kaltkathode, die aus einem dotierten Halbleiterkörper besteht

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphie sans FiI,

Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. G. Hauser,

Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Pierre Aigrain, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. März 1958 (761 317)

Halbleiterkörper Stoffe mit sehr hoher Austrittsarbeit, z. B. Silizium, verwenden, mit denen eine thermische Emission nicht möglich ist, weil sie bei der erforderlichen hohen Temperatur bereits verdampft oder geschmolzen wären. Umgekehrt können auch Stoffe mit sehr geringer Austrittsarbeit (z. B. Cs_?Sb) verwendet werden, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampfen oder schmelzen. Dies ermöglicht die Herstellung von sehr rauscharmen Röhren, da solche Stoffe sehr geringe Schwankungen der Elektronengeschwindigkeit ergeben.

Ausführungsbeispiele der beschriebenen Kaltkathode sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform und

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform.

F i g. 1 zeigt eine aus einem Halbleitermaterial des Leitungstyps η bestehende Schicht 1 mit einer Oberfläche von einigen Quadratmillimetern und einer Dicke von beispielsweise 0,1 mm, auf deren Oberseite ein Metallgitter 2 angebracht ist, das an eine Stromzuführungsleitung 3 angeschlossen ist. Das Gitter 2 besteht z. B. aus durch Vakuumverdampfung auf der Halbleiterschicht niedergeschlagenem Nickel. Die Maschen werden durch Lichtdruck erhalten. Sie sind so fein und so transparent wie möglich. Sie besitzen z. B. eine Seitenlänge von etwa 10 Mikron.

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Die Schicht 1 ist mit ihrer Unterseite auf einem daß sie dann ihre hohe Energie einbüßen, was das

Block 4 mit einer Dicke von einigen-Zehntelmilli- Emissionsvermögen beschränkt,

meiern befestigt, der an eine Stromzuführungs- Man verwendet daher Halbleiter, in welchen die

leitung 5 angeschlossen ist. Der Block 4 kann mit kritische Energie E_c, welche die Elektronen zur Er-

nicht gezeigten Kühlrippen versehen sein, welche die 5 zeugung von Elektronen-Loch-Paaren mindestens

Schicht 1 während der Elektronenemission auf' der besitzen müssen, .nur wenig geringer oder größer ist

Temperatur der Umgebung falten. . . als die Elektronenaffinität Φ. Unter diesen Bedingun-

Für die Schicht,! -wird ein Halbleitermaterial ver- gen ist offensichtlich die Erzeugung von Elektronenwendet, in welchem die kritische Energie E_c zur Er- Loch-Paaren zu vernachlässigen, und das Emissionszeugung von Elektrohen-Loch-Paaren wenig geringer io vermögen wird nicht mehr beeinträchtigt,
oder größer ist als die Elektronenaffinität Φ. Bevor- Man kennt auch die folgende empirische Beziezugt handelt es sich um einen elementaren Halb- hung zwischen der kritischen Energie und der inneren leiter oder um einen aus einem einwertigen, zwei- Aktivierungsenergie E_g des Halbleiters (welche der wertigen oder dreiwertigen Metall und._einem.vier-,„_ Breite des verbotenen Bandes entspricht):
fünf- oder sechswertigen Metalloid Zusammengesetz- 15 .
ten Verbindungshalbleiter.. Ec = 2 + —.

Bevorzugt besitzt' das Metall ein Atomgewicht 2
über 70 (so daß die Elektronen des entsprechenden

Verbindungshalbleiters dann eine erhöhte Beweglich- Die vorstehenden Größen sind in Elektronenvolt

keil besitzen). Unter den zur Herstellung der 20 ausgedrückt. Daraus folgt, daß eine erste Kategorie

Schicht 1 verwendbaren Halbleitern seien beispiels- von brauchbaren Halbleitern diejenigen umfaßt,

weise genannt: Si, SbIn, InAs, InP, GaAs, Mg₂Ge, deren Elektronenaffinität mindestens gleich 2 eV ist.

Mg₂Sn, Mg₂Si, Cs₃Sb, Na₃Sb. Es sind dies insbesondere BaO, BaSi, M₃Sb (wobei

Wenn man zwischen den Leitern 3 und 5 eine M ein einwertiges Metall, z. B. Caesium, bedeutet), elektrische Spannungsquelle anschließt, welche eine 25 Eine zweite Kategorie von brauchbaren HaIb-Potentialdifferenz von z. B. 100 V oder mehreren leitern umfaßt die Halbleiter, deren Elektronenhundert Volt zwischen den beiden Flächen der affinität durch eine geeignete Oberflächenbehandlung Schicht 1 erzeugt, und wenn man die Anordnung als auf einen ausreichend geringen Wert reduziert wer-Kathode einer Vakuumdiode verwendet, deren den kann. (Diese Oberflächenbehandlung kann z. B. Anode z. B. aus einer Tantalfolie besteht, und an die 30 in der Adsorption eines Alkalis, z. B. Caesium, beeine Spannung von etwa 100 V oder mehreren hun- stehen. Auf diese Weise behandeltes Silizium oder dert Volt gelegt wird, beobachtet man einen sehr Indiumantimonid kann zur Herstellung der Schicht 1 intensiven Strom in der Größenordnung von meh- dienen.)

reren hundert Ampere pro Quadratzentimeter. Dieser Eine dritte Kategorie von brauchbaren Halbleitern Strom kann ohne merkliche Erhitzung des Halbleiter- 35 umfaßt die Halbleiter mit hoher innerer Aktivierungskörpers aufrechterhalten werden. Der Metallblock 4 energie, ζ. Β. ZnSe oder ZnTe.
verhindert jede Erwärmung des Halbleiterkörpers, Natürlich müssen diese Halbleiter den Leitungsund die Kühlung kann gegebenenfalls durch Anbrin- typ η besitzen, was in der Regel durch eine geeignete gung von Kühhippen an dem Block 4 verstärkt wer- Behandlung erreicht werden kann,
den. Allem schon die große Oberfläche des Blocks 4 40 Beispielsweise kann man Silizium durch Einbrinergibt aber bereits eine beträchtliche Kühlung. Das gung von Lithium als Störstoff dotieren. Der Grad bei der beschriebenen Kathode beobachtete Phäno- der η-Leitung wird durch einen Kompromiß bemen unterscheidet sich daher vollständig von der stimmt. Einerseits sollen genügend freie Elektronen Emission der Glühkathoden. Man kann es auf die für eine intensive Emission zur Verfügung stehen, folgende Weise erklären: Die im Inneren der Halb- 45 andererseits wird durch eine zu intensive Dotierung lederschicht 1 existierenden freien Elektronen werden die Elektronenbeweglichkeit zu gering, was die Anunter den angegebenen Bedingungen einem Feld von legung eines zu starken Feldes zur Erzielung einer mehreren Kilovolt pro Zentimeter ausgesetzt. Dabei Emission bedingt. Auf jeden Fall muß man den Halbnehmen sie eine Energie auf, welche Elektronen- leiter stark dotieren, da die Elektronen, wenn sie temperaturen von mehreren tausend Grad Kelvin 50 einmal heiß sind, gegenüber Störstoffen nur wenig entsprechen, so daß sie aus dem Halbleitermaterial empfindlich sind.

durch die Maschen des Gitters 2 hindurch austreten Bei der Ausführungsform von F i g. 1 steht das können. Infolge der schlechten thermischen Kopp- elektrische Feld, welches im Inneren der Halbleiterlung zwischen den freien Elektronen und dem Halb- schicht 1 infolge der Potentialdifferenz zwischen den leiterkristallgitter wird dieses letztere nicht wesentlich 55 Elektroden 2 und 4 herrscht, senkrecht zu der erwärmt. Man bemüht sich übrigens, den Wärme- Schicht 1. Diese stellt eine Äquipotentialfläche dar, übergangswiderstand zwischen dem Gitter und der was die Emission von Elektronen mit gleicher kine-Umgebung geringer zu halten als den Wänneüber- tischer Energie von verschiedenen Punkten der Obergangswiderstand zwischen den Elektronen und dem fläche der Schicht 1 ermöglicht (ein in der Regel in Gitter. Dieses Ergebnis erzielt man in dem beschrie- 60 einer Vakuumröhre gewünschtes Ergebnis),
benen Beispiel durch die massive Halbleiterschicht 1. Die in Fig. 2 gezeigte Kathode besitzt eine dünne Die Wahl des Halbleitermaterials der Schicht 1 er- Halbleiterschicht 6 und zwei kammartig ineinanderfolgt unter Beachtung der vorstehenden Ausführun- greifende leitende Gitter 7 und 8, welche mit der gen und unter Berücksichtigung der nachstehenden g^ Oberseite der Schicht 6 in Berührung stehen und Bemerkungen: 65 über Leiter 9 und 10 an eine elektrische Spannungs-

Man weiß, daß in einem Halbleiter die sehr quelle angeschlossen sind.

schnellen Elektronen durch Zusammenstöße Elek- Bei dieser Ausführungsform entspricht die emit-

tronen-Loch-Paare erzeugen können. Daraus folgt, tierende Oberfläche keiner Äquipotentialfläche, was

ihre Anwendung beschränkt. Sie kann z.B. in bestimmten Röhren mit veränderlicher Steilheit der Kennlinie oder in Röhren mit gekreuzten Feldern verwendet werden. Sie bietet demgegenüber die folgenden Vorteile:

Da das Feld parallel zur Oberfläche der Halbleiterschicht angelegt ist, sind die Elektronen in einer dünnen Schicht von z. B. einigen Mikron Dicke nur in der Nähe der Oberfläche erhitzt und treten sehr rasch aus; darüber hinaus vermeidet man Ausbeute-Verluste, insbesondere infolge von Elektronenzusammenstößen mit dem Kristallgitter, wodurch dieses letztere auf Kosten eines Spannungsabfalls in der Halbleiterschicht erwärmt würde. Die verzahnte Struktur ermöglicht es, zwischen zwei benachbarten Zähnen, welche zu zwei verschiedenen Gittern gehören, ein Feld mit einer großen Potentialdifferenz zu erzeugen, so daß man bei Verwendung einer genügend großen Anzahl von Zähnen eine Kathode mit beachtlich großer emittierender Oberfläche erhält.

Man hat festgestellt, daß man die vorstehend beschriebene Kathode (F i g. 1 oder 2) mit so hohen Stromdichten in Betrieb nehmen kann, daß nach der Einwirkung eines einzigen Spannungsimpulses zwischen den Elektroden 2, 4 oder 6, 7 die Emission ohne äußere Spannung weitergeht, bis man sie durch Abschalten oder ausreichende Erniedrigung der Anodenspannung unterbricht.

In diesem Fall wird offensichtlich die Emissionsfeldstärke durch den die Halbleiterschicht durch- setzenden intensiven Elektronenstrom erzeugt.

Man kann daher mit einer Kathode dieser Art Gleichrichter oder Umrichter herstellen, welche analog funktionieren wie solche mit Kathodenfleck-Gasentladungsröhren.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Kathoden besteht in der Möglichkeit, sie bei hohen Frequenzen zu verwenden, da die Frequenz durch keine merkliche Entionisierungszeit beschränkt wird. Mit den beschriebenen Kathoden kann man darüber hinaus alle Röhren herstellen, wie sie bisher mit Glühkathoden üblich waren.

Die Sättigungsstromdichte der beschriebenen Kathode ist um so höher, je unreiner der Halbleiter ist. Diese Dichte kann noch durch Regelung der Emissionsspannung reguliert werden. Man kann daher die Stromdichte auf solche Werte einstellen, daß die Emission nicht mehr zur Selbstemission der Kathode ausreicht, so daß diese dann wie eine der üblichen Glühkathoden funktioniert.

Claims

Patentansprüche:

1. Kaltkathode, die aus einem dotierten Halbleiterkörper besteht, an dem zur Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb des Halbleiters Elektroden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom Leitfähigkeitstyp η ist, daß die Elektroden so angebracht sind, daß zwischen ihnen entweder ein zur emittierenden Oberfläche senkrecht verlaufendes oder ein zur emittierenden Oberfläche parallel verlaufendes elektrisches Feld herrscht, und daß Mittel zur Kühlung des Halbleiterkörpers vorgesehen sind.

2. Kaltkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode gitterf örmig ausgebildet und auf der emittierenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist und daß die andere Elektrode als Metallblock ausgebildet und auf der parallel zu der emittierenden Oberfläche verlaufenden Oberfläche des Halbleiterkörpers befestigt ist.

3. Kaltkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden in verzahnter Anordnung auf der emittierenden Oberfläche des Halbleiterkörpers befestigt sind und daß auf der anderen Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Metallblock angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 773 222.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 670/310 10.66 ® Bundesdruckerei Berlin