DE1537148A1 - Bildwandlerroehre - Google Patents

Description

"Bildwandlerröhre"

Die Erfindung "bezieht sich auf Bildwandlerröhren mit lichtempfindlichen ladungsspeicherelementen, insbesondere auf eine verbesserte Vidieon-Kameraröhre und ein Verfahren zur Herstellung der Speicherplatte dieser Röhre.

Das Vidicon ist eine bekannte Kameraröhre, welche das Phänomen der lichtelektrischen Leitfähigkeit in seiner Speicherplatte verwendet, um Lichtsignale in elektrische Signale zu verwandeln. Die Relaxationszeit des Fhotoleiters muß dabei größer sein als die 1/30 Sekunde dauernde Fernsehraster-Abtastzeit, damit man den Abtastelektronenstrahl zwischen beleuchteten und dunklen !Flächenelementen der Speicherplatte unterscheiden kann. Die Anforderungen, die man an eine Vidiconspeicherplatte stellen muß, sind deshalb im wesentlichen zweifach, nämlich lichtelektrische Empfindlichkeit mit hoher Quantenausbeute und •ine Ladungsspeicherzeit von mehr als 1/30 Sekunde. Zusätzlich ist eine schnelle Ansprechzeit bei allen Lichtverhältnissen erwünscht, sowie für besondere Anwendungsfälle eine spektrale Empfindlichkeit mit hoher Quantenausbeute in einer

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Anzahl von Spektralbereichen, wie z.B. dem infraroten, dem sichtbaren und/oder, dem ultravioletten Bereich.

Die bislang zur Herstellung von Vidiconspeicherplatten benutzten Werkstoffe sind zusammengesetzte Halbisolatoren mit verhältnismäßig großen Bandabständen (im Termschema) und spezifischen Widerständen oberhalb 10 Ohm·cm, um die nötige RC-Relaxationszeit von über 1/30 Sekunde zu erhalten. Antimontrisulfid, das am meisten verwendete Vidiconspeicherplattenmaterial, hat eine wirksame maximale Quantenausbeute von 7#> eine spektrale Empfindlichkeit zwischen 4000 und 7000 Ä sowie eine "Verzögerungszeit" bei schlechten Lichtverhältnissen. Werkstoffe mit schmaleren Bandlücken und wünschenswerteren Eigenschaften als Antimontrisulfid, z.B. mit höherer Quantenausbeute und einem größeren Bereich spektraler Ansprechempfindlichkeit, zur Herstellung von Vidiconspeicherplatten haben einen zu kleinen spezifischen Widerstand, als daß man damit Vidicons mit einer auf herkömmliche Weise aufgebauten Photoleiterschicht betreiben könnte.

In erster Linie besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Vidiconkameraröhre mit erhöhter Empfindlichkeit, schnellerer Ansprechzeit und einem breiteren spektralen Ansprechband zu schaffen, als bisher möglich war.

Weiter zielt die Erfindung auf die Schaffung

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einer Speicherplatte für eine Vidiconkameraröhre ab, welche die gleichen Verbesserungen aufweist.

Ferner sucht die Erfindung ein Verfahren zu schaffen, das die Verwendung von Werkstoffen mit schmalen Barulabständen, die einen zu niedrigen spezifischen Widerstand haben, als daß man damit Vidicons mit einer auf herkömmliche Weise aufgebauten Photoschicht betreiben könnte, für die Herstellung von Speicherplatten für Vidieon-Kameraröhren erlaubt.

Schließlich soll die Erfindung eine Vidicon-Speicherplatte liefern, die eine Matrix bzw. eine regelmäßige Anordnung diskreter Diodenübergänge in Silizium oder Germanium enthält.

Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels einer neuartigen Speicherplatte gelöst, welche Ladungs-Relaxationszeiten von über 1/30 Sekunde (eine typische Fernseh-Abtastzeit) in Werkstoffen von verhältnismäßig niedrigem spezifischem Widerstand erreichen läßt. Diese Speicherplatte enthält ein geschichtetes Gebilde aus einem einzigen Halbleiterwerkstoff, der einen p⁺n-Übergang zwischen einer großflächigen η-leitenden Schicht und einer p-leitenden Schicht enthält, die mosaikartig in kleinflächigen, diskreten und in isolierenden Abständen voneinander angeordneten Inseln aufgebracht ist. Die p-leitende Schicht ist dem Abtaststrahl zugewandt und auf Kathodenpo-

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tential aufgeladen. Eine mit der gegenüberliegenden Seite der η-leitenden Schicht in Kontakt stehende durchsichtige und leitfähige Elektrode liegt an einem positiven Potential um den p⁺n-Übergang in Sperrichtung vorzuspannen. Eine derartige, aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,01 und 0,1 Ohm·cm hergestellte Speicherplatte weist eine Relaxationszeit ihrer Aufladung auf, die größer ist als die 1/30 Sekunde dauernde Fernseh-Bildabtastzeit. Es können alle lichtelektrisch empfindlichen Halbleiter Verwendung finden, die der folgenden Formel genügen:

Dabei	P	sind
V	0 "
A	i *
η m

Elektrische Feldstärke für den zenerdurchbruch, Speicherplattenpotential (bis 10 Volt), Elektronenbeweglichkeit der η-leitenden Schicht, £, = Dielektrizitätskonstange der η-leitenden Schicht, £₀ = Dielektrizitätskonstante der p-leitenden Schicht

und
i_R ■« Sättigungsstrom in Sperrichtung.

Durch diese Gestaltung werden das geschilderte Verhalten und die erwähnten Verbesserungen erreicht. So zeigten z.B. in Sperrichtung vorgespannte p⁺n Übergänge in SiIinaxiaale lichtelektrische Quantenausbeuten von

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tin· spektrale Ansprechempfindlichkeit τοη 3500 bis 11000 i und tine Ansprechzeit in der Größenordnung τοη MikrοSekunden. 1· war bislang nicht bekannt, daß ein Speicherplattenaufbau Höflich ist, der die Anforderungen an die Ladungsspeicherung beim Vidiconbetrieb unter Verwendung τοη Halbleitern relatiT geringen spezifischen Widerstands erfüllt. Torteilhaft kann man auch Halbleiter mit hohem spezifischen Widerstand einsetzen, z.B. Antimontrisulfid, da sich durch geeignete Dotierung auch in solchen Materialien ein niedriger spezifischer Widerstand einstellen läßt.

Die bisherigen VidiconkamerarÖhren waren zu unempfindlich und bei schlechten Lichtverhältnissen zu langsam, um in größerem Maßstab beim Fernsehen Verwendung zu finden. Eine erfindungsgemäße Vidiconkameraröhre zeigt jedoch ein BetriebsTerhalten, das bei gleichzeitig niedrigerem Preis und längerer Lebensdauer dem einer Bild-Orthikonkameraröhre gleichkommt. Die Erfindung kann auch für einen Bildwandler benutzt werden, etwa zur Verwendung im Infrarotbereich. Die erfindungsgemäße Speicherplatte, deren spektrale Empfindlichkeit bis zu 1,1 Mikron reicht, kann die Anforderungen an einen bei Nacht brauchbaren Bildwandler erfüllen, da bekanntlich ein wesentlicher Anteil der Beleuchtung des Hachthimmels bei etwa 1,0 Mikron Wellenlänge liegt.

Diese und andere Aufgaben und Wirkungen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

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fig. 1 einen teilweise schematischen Querschnitt durah eine erfindungsgemäfle Yidiconkameraröhre,

Pig, 2 eine Stirnansicht der Speicherplatte nach fig. 1

und die erflndungsgemaJ mosaikartige Anordnung ron p-n-Übergängen,

fig. 3 ein Schema eines Ersatzschaltbildes einer in Sperr-" richtung vorgespannten flächendiode,

Pig.4A und 4B den Ladungsabfall und Spannungsabfall einer in Sperrichtung vorgespannten flächendiode,

Pig. 5 die Abhängigkeit der Dunkelladungsspeicherzeit vom

spezifischen Widerstand des Basismaterials, wobei der Leckstrom in Sperrichtung als Parameter eingetragen ist,

fig.6A, 6B und 6C schematisch die verwendete Ladungsspeicher-Prüfeinrichtung, wobei in flg. 6A die Einzelteile der Anordnung, in fig. 6B ein Ersatzschaltbild und in fig. 6C ein vereinfachtes Ersatzschaltbild wiedergegeben sind,

fig. 7A bis 7E verschiedene Ladungsspeicherseiten, wie sie mit der Prüfeinrichtung nach fig. 6 gewonnen wurden»

fig. 8 die spektrale Empfindlichkeit eines flach eindiffundierten n⁺p-Ubergangs und

fig. 9 die Ansprechzeit eines solchen flach eindiffundierten n⁺p-Obergangs.

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Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand einer "bevorzugten Ausführungsform beschrieben, bei der Silizium zur Herstellung der Speicherplatte Terwendung findet. Pig. 1 stellt eine Yidiconkameraröhre 10 von konventionellem Aufbau dar, mit Ausnahme der Speicherplatte 12, welche die erfindungsgemäße neuartige Konstruktion mit einer mosaikartigen regelmäßigen Anordnung von in Sperrichtung vorgespannten Fläohendioden aufweist. Die Röhre 10 besteht aus einer evakuierten Hülle 14, in deren Innerem an einem Ende die Speicherplatte 12 so angebracht ist, daß sie einem durch die Pfeile 15 angedeuteten Strahlungsabbild ausgesetzt ist. Am anderen Ende der Röhre 10 ist ein Elektronenerzeugungs- und -abtastsystem untergebracht. Solche Systeme sind bekannt, bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Das Elektronenerzeugungs- und -abtastsystem ist somit von herkömmlicher Bauweise und Betriebsart und enthält eine Elek- | tronenkanone 16 und Ablenkvorrichtungen 18, wodurch ein Elektronenstrahl gebildet und so abgelenkt werden kann, daß er die Speicherplatte 12 in vorgegebener und bekannter Weise abtastet. Der Speieherplatte 12 benachbart ist eine Siebelektrode 20 zum Auffangen von Sekundärelektronen angebracht, wie dies ebenfalls bekannt ist. Elektrische Leitungen verbinden in gleichfalls bekannter Weise die Kathode der Kanone 16, die Siebelektrode 20 und die transparente Prontelektrode 22 der Speicherplatte 12 mit geeigneten Spannungs-

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quellen 24 und 26. '

Die Speicherplatte 12 enthält eine gläserne Frontplatte 32, die bei der in Mg. 1 dargestellten Ausführungsform identisch ist mit einer Stirnwand der Hülle 14, jedoch auch einen gesonderten Bauteil darstellen kann,. In Kontakt mit der Frontplatte 32 ist ein Siliziumplätt-

™ chen 28 angeordnet, dessen der Frontplatte 32 zugewandte Seite mit einem durchsichtigen Überzug aus leitfähigem Material beschichtet ist, wobei dieser Überzug die Frontelektrode 22 bildet. Die andere Seite des Siliziumplättchens 28 ist mit einer Schicht 30 versehen, die ein Mosaik bzw. eine regelmäßige Anordnung diskreter Punkte oder kleinflächiger Inseln darstellt* Das Siliziumplättchen 28 ist ein η-leitendes Einkristallplättchen mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,01 und 0,1 Ohm-cm. Durch Wärmebehandlung in Wasserdampf wird eine Oxydhaut auf der einen Oberfläche des Plättchens 28 gebildet. Mittels eines Photo-Resist-Verfahrens wird in der Oxydhaut eine regelmäßige Anordnung von Löchern angebracht, die der gewünschten Auflösung entspricht (z.B. 500 Linien pro Zoll = 200 Linien pro cm für Fernsehzwecke). Das Plättchen 28 wird dann in einen Diffusionsofen gebracht, wo eine p-leitende Verunreinigung thermisch durch die Löcher in der Oxydhaut eindiffundiert wird, um eine regelmäßige Anordnung diskreter n-p-Übergänge zu bilden. Anschließend wird auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens 28 die transparente und

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leitfähige Frontelektrode 22 gebildet, und zwar durch einen anderen thermischen Diffusionsprozeß, der zur Bildung eineβ ohmschen Übergangs führt. Nachdem das Plättchen 28 so fertiggestellt wurde, kann es in der Vidiconkameraröhre 10 in Kontakt mit der gläsernen Frontplatte 32 montiert werden.

Pig. 2 ist eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Speicherplatte, wie eine solche auch in Fig. 1 dargestellt iet. Sie zeigt eine Mosaikanordnung von p-n-Übergängen, die von diskreten Inseln der Schicht 30 auf dem Grundplättchen 28 gebildet werden.

Der von der Kathode der Elektronenkanone 16 kommende Elektronenstrahl wird bis auf einige Kilovolt an der Siebelektrode 20 beschleunigt, und zwar durch das zwischen Kathode und Siebelektrode liegende Potential der Spannungsquelle 24. Dieser Elektronenstrahl hoher Geschwindigkeit dringt durch die öffnungen im Sieb 20 und wird dann auf das Potential der Oberfläche der Speicherplatte 12 abgebremst. Binnen kurzer Zeit wird dadurch diese Oberfläche auf das Potential der Kathode aufgeladen. Durch die Spannungsquelle 26 wird ein kleines Potential zwischen der Speicherplatten-Elektrode 22 und der Kathode der Kanone 16 aufrechterhalten. Dieses Potential fällt an den Elementen der Speicherplatte 12 ab, die von Elektronen getroffen werden, da die aufgeladene Oberfläche der Speicherplatte 12 von der Prontelektrode 22 durch den Widerstand des Hauptkörpers des Speicher-

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plattenmaterials isoliert ist. Tastet der Elektronenstrahl jedes Element der Speicherplatte 12 in irgend einer fortlaufenden Art und Weise ab, so weist die gesamte Speicherplatte 12 das angelegte Potential über ihre Dicke auf, sofern die Abtastfolgezeit des Elektronenstrahls kleiner ist als die dielektrische Relaxationszeit des Speicherplattenwerkstoffs. Wäre dies nicht der Fall, so würde der Teil der Speicherplatte 12, der zuerst abgetastet wurde, seine Ladung verlieren, bevor der letzte Teil der Speicherplatte 12 abgetastet ist. Da eine typische Pernsehabtastzeit 1/30 Sekunde ist, muß ein Vidiconspeicherplattenwerkstoff eine Ladungsrelaxationszeit von über 1/30 Sekunde bei fehlendem Lichteinfall haben, damit er erfolgreich für den Pernsehbetrieb eingesetzt werden kann.

Beim Betrieb der bekannten Vidiconkameraröhren, die z.B. Antimontrisulfid-Speicherplatten verwenden, wird auf die Vidiconspeicherplatte durch die transparente ffrontelektrode ein Lichtmuster fokussiert und diejenigen Elemente der Speicherplatte, die vom Licht getroffen werden, verlieren dabei infolge der lichtelektrischen Leitfähigkeit ihre Ladung. Dies geschieht, weil die vom Licht ausgelösten Elektronenlöcherpaare den Widerstand des Speicherplattenmaterials herabsetzen und dadurch die RC-Relaxationszeit verringern. Kehrt der Abtast-Elektronenstrahl zu einem Element zurück, das während der vorausgegangenen Abtastperiode durch Lichteinfall entladen wurde, so lädt er dieses

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Element rasch wieder auf Kathodenpotential auf. Während dies geschieht, fließt ein Strom-im äußeren Kreis über den Widerstand 32 in Pig. 1, und es ist dieser Strom, der das Fernsehsignal liefert, das die Anwesenheit von Licht an dieser speziellen Stelle der Speicherplatte meldet. Der Elektronenstrahl lädt das Element innerhalb von MikroSekunden auf, da er kontinuierlich alle Schirmelemente nacheinander abtasten muß. Jedes Element hat jedoch 1/30 Sekunde Zeit um durch einfallendes Licht entladen zu werden. Dies gibt dem Vidicon eine "1/30 Sekunde-Integrationscharakteristik", welche sehr bedeutsam ist, wenn nachweisbare Signale bei schlechten Lichtverhältnissen aufgebaut werden sollen. Ohne dieses Integrationsverhalten könnte das Vidicon nicht mit dem Superorthikon oder Bildorthikon konkurrieren, welches Sekundärelektronen-Vervielfachung verwendet, um einfallende Lichtsignale bis zum Einmillionenfachen zu verstärken ο

Beim Betrieb der Vidiconkameraröhre gemäß Fig. 1 unterscheidet sich der Ladungsspeichermechanismus der Speicherplatte 12 etwas von dem oben beschriebenen Mechanismus bei herkömmlichen Vidicons. Das Erreichen einer Ladungsrelaxationszeit von über 1/30 Sekunde in Werkstoffen mit relativ niedrigem spezifischen Widerstand und dessen Anwendung auf Vidiconspeicherplatten ist das eigentliche Kernstück der Erfindung. Um den zugehörigen Mechanismus zu verstehen, soll das Gebilde aus n-p-Übergängen gemäß Fig. 1

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betrachtet werden.

Bei der Betrachtung eines solchen Übergangs (entweder p-n-Übergang oder Metall-Halbleiter-Übergang) als Speicherplattenelement eines Vidicons ist es wichtig, sich daran zu erinnern, daß der Elektronenstrahl nacheinander jedes Element auf ein vorgegebenes Potential auflädt. Es ist von Bedeutung, die Dauer zu kennen, über die eine Spannung und ihre entsprechende dielektrische Ladung auf einem in Sperrichtung vorgespannten Übergang verbleibt, sobald die Ladungsquelle vom Element abgeschaltet worden ist, was· dem zum benachbarten, jedoch isolierten p-n-Übergangselement weiterwandernden Elektronenstrahl entspricht. lig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild für ein derartiges in Sperrichtung vorgespanntes Element. Es enthält eine Spannungsquelle 40, einen Schalter 42, einen Widerstand 44» einen Kondensator 46 und einen dazu parallel geschalteten Widerstand 48. Nach der Halbleitertheorie verhält sich der in Sperrichtung vorgespannte Übergang wie ein Parallelplattenkondensator, dessen Plattenabstand durch die Dicke d der Verarmungsschicht gegeben ist. Diese Dicke d ist eine Punktion der angelegten Sperrspannung und verschiedener Werkstoffparameter, insbesondere der Stärke der Dotierung der Basisschicht. Wird eine in Sperrichtung angelegte Vorspannung abgeschaltet, so verhält sich der Übergang so, als wäre er ein aufgeladener Kondensator vom Plattenabstand d. Die Aufladung bricht nicht momentan zusammen, sondern fällt infolge der Leckströ-

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des Übergangs langsam ab, z.B. durch den Sättigungsstrom in Sperrichtung und den Kantenleckstrom. Für Berechnungs- «wecke wurde ein in Sperrichtung vorgespannter und dann von der Spannungsquelle getrennter p-n-Übergangskondensator benutzt, der sich über seinen eigenen Leckstrom entlädt. Da der Sättigungsstrom in Sperrichtung unabhängig von Übergangsspannung oder -ladung ideal konstant ist, integriert sich der allgemeine Ausdruck dq/dt * i_R zu (q - Q.) * ^-ο^· Diese Beziehung ist in Fig. 4A aufgetragen. Fig. 4B zeigt die Spannungsänderung an einem solchen Übergang in Abhängigkeit von der Zeit, gemäß den unten abgeleiteten Ergebnissen.

Es sei ein idealer p-n-Übergang betrachtet, der in Sperrichtung auf eine Spannung V^ vorgespannt ist, welche, einer Ladung Q. entspricht. Die Spannungsquelle wird dann plötzlich abgetrennt. Der Ladungs- und Spannungsabfall über den Übergang bestimmt sich dann wie folgt: Die Änderung der Ladung mit der Zeit ist einfach gegeben durch

- i_R , (D

wobei i« eine Konstante ist und q ■ Q. zur Zeit t « ο ist«

Λ JL.

Integration (1) liefert also

q - Q₁ * i_Rt (2)

und ist in Fig. 4A aufgetragen. Die Ladung q steht zur angelegten Spannung über die Kapazität C in Beziehung, die ihrerseits wieder spannung»abhängig ist gtoäB

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C ■ cC . V ²' . (3)

Dabei drückt Werkstoffkonstanten aus und die innewohnende Spannung wird als klein gegenüber der angelegten Spannung V angesehene Setzt man q * CV in (1) ein, so erhält man

Integriert man (4) mit der Anfangsbedingung V = V₁ für t * o, so erhält man

1 V - V₁ -/3 ²t² + 2/ß t V₁ ² (5)

mit/·^» ip/cfc. und konstant ist.

Die Beziehung zwischen der Anfangsladung des Übergangs Q₁ und der anfangs angelegten Spannung V₁ ist gegeben durch

Q₁ - C₁V₁ . (10)

Dabei weist der Index i auf den Anfangszustand hin. Die Abklingzeit bzw. Entladezeit L dieser Anfangsladung ist gegeben durch

Tw Q₁Zi₁₁A . (20)

Dabei ist i_R der konstante Gesamtleckstrom in Sperrichtung pro Flächeneinheit. Aus der Halbleitertheorie ergibt sich für einen in Sperrichtung vorgespannten Übergang

C₁ - EC₀AZd , (30)

wobei d die Dicke der Verarmungsschicht, A die Piaehe und

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ο;

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Cdie Dielektrizitätskonstante ist. Setzt man (10) und (30) in (20) ein, so erhält man

Τ« εε_ον_±/ι_κα . (40)

Es ist klar, daß für lange Entladungszeiten der Leckstrom und die Dicke der Verarmungsschicht so klein wie möglich sein müssen. Sowohl für einen p⁺n- als auch für einen Metall-n-Halbleiter hängt die Dicke der Verarmungsschicht von der angelegten Spannung und dem spezifischen Widerstand der Basis in folgender Weise ab:

[ (V_d + Y_±)/e H_dl ^1/2 . (50)

Dabei ist V, das Diffusionspotential der Grenzschicht,

V. die angelegte Spannung, e die Elektronenladung und N, die Donatordichte des η-leitenden Basisplättchens. Setzt man (50) in (40) ein unter der Annahme eines stufenförmigen yiächenüberganges mit V^ > V^ und N^ = 1/p e ^_n, so erhält

/ \ /Pfv\¹/² (ladungs-Abkling-

TJ M / ° i \ zelt für off enge- _{f-_n^

^L ITI") I 2 & ο j schalteten Flächen-^^Du;

\R ) VA) / übergang)

Hierbei ist O der spezifische Widerstand des n-leitenden Basisplättchens und ytt_n die Elektronenbeweglichkeit auf der η-leitenden Seite. Pur lange Entladungszeiten müssen der Leckstrom in Sperrichtung und der spezifische Widerstand P beide so klein wie möglich sein.

Gleichung (60) sollte verglichen werden mit der 909838/0616

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λ*

Entladungszeit für Vidicons, die herkömmliche Photoleiter in einem Stück benutzen:

T cc ο (Ladungs-Abkl'ingzeit (nr\\ ^ut o) für kompakten Photo- ^K'^U) leiter)

Es ist wichtig zu beachten, daß ein hoher spezifischer Widerstand für den Vidicon-Betrieb mit kompakten Photolei-

" ter-Speicherplatten nötig ist, während ein niedriger spezifischer Widerstand für das zur Herstellung von Halbleiter-Übergängen nötige Grundmaterial erforderlich 1st, (In Gleichung (70) steht ^ im Zähler, in Gleichung (60) dagegen im ' Nenner). Da es fast immer möglich ist, durch geeignete Dotierung Material mit niedrigem spezifischem Widerstand aus Ausgangsmaterial von hohem spezifischem Widerstand zu gewinnen, jedoch nicht umgekehrt, so kann eine Vielzahl von Werkstoffen zur Herstellung von Gebilden mit Übergangszonen

. zur Verwendung als Vidiconspeicherplatten herangezogen werden. Infrarotempfindliche Ladungsspeichervidicons sind z.B. bei Verwendung von Speicherplatten aus kompakten Photoleitern nicht bei Raumtemperatur einsetzbar. Denn hierfür ist ein kleiner Bandabstand (z.B. weniger als 1,1 eV) Voraussetzung, während der für den Vidiconbetrieb nötige spezifische Intrinsic-Widerstand von 10 Ohm·cm sich in Materialien mit Bandabständen unter 1,7 eV bei Raumtemperatur nicht erreichen läßt.

Gleichung (60) zeigt, daß die Ladungsspeicherzeit 909838/0616

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des offengeschalteten Übergangs proportional mit der Quadratwurzel aus dem Kehrwert dea spezifischen Widerstandes des Grundmaterials zunimmt. Ss ist jedoch nicht möglich, diesen spezifischen Widerstand auf einen kaum noch nachzuweisenden Wert abzusenken, um so die längsmögliche Ladungsspeicherzeit zu erhalten. Der Zenerknick (die Zener-Durchbruchfeldstärke) setzt eine untere Grenze für die nützlichen spezifischen Widerstände des Basismaterials. Sie maximale elektrische feldstärke F₀ «■ 2V^/d an einer Stufenübergangs-Grenzfläche steht mit der angelegten Vorspannung und dem spezifischen Widerstand des Basismaterials in folgendem Zusammenhang:

Die elektrische Feldstärke F , bei der der Zener-Durchbruch einsetzt, darf im Normalbetrieb nicht überschritten werden. Da das Vidiconspeicherplattenpotential V. typisch mit 10 Volt oder weniger anzusetzen ist, erhält man aus Gleichung (80) eine untere Grenze f,ür den nützlichen spezifischen Widerstand des Basismaterials:

^{(für v}i"^{10 Tolt)}· ⁽⁹⁰⁾

Da die Entladezeit für normalen Vidiconbetrieb größer als 1/30 Sekunde sein muß, ergibt sich mit I * 1/30 see aus Gleichung (60) eine obere Grenze für den spezifischen Wider stand P . Die Gleichungen (60) und (90) zusammen definieren

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somit den Bereich der spezifischen Widerstände, innerhalb dessen man Halbleiterübergänge als Ladungsspeicherplatten für Vidicons verwenden kann:

\~ /ρς „ \

(100)

(Grundlegendes Kriterium für Ladungsspeicherplatten mit Halbleiterübergängen).

Jedes lichtelektrisch empfindliche Material, in welchem sich eine Übergangszone herstellen läßt, die der Gleichung (100) genügt, läßt sich als Vidiconladungsspeicherplatte einsetzen und hat dabei im nichtbeleuchteten Zustand eine Ladungsspeicherzeit von mindestens 1/30 Sekunde. Werkstoffe mit Übergängen, die Gleichung (100) nicht genügen, weisen Dunkelladungsspeicherzeiten von unter 1/30 Sekunde auf oder ergeben Zener-Durchbruch.

Die Parameter in Gleichung (100) sind für Silizium bekannt. Dieses Material läßt sich ohne weiteres für Vidiconladungsspeicherplatten mit Halbleiterübergängen bei Raumtemperatur einsetzen. Die Zener-Durchbruchfeldstärke P₀ ¹ für Silizium beträgt etwa 10 V/cm. Da der Vidiconbetrieb ein Speicherplattenpotential V^ bis zu 10 Volt erfordert, ergibt sich somit aus der linken Seite von (100) ein unterer Grenzwert des spezifischen Widerstandes von 5 < 1»6 · 10 0hm·cm. Um die rechte Seite von (100) auswerten zu können, muß der Sättigungsstrom in Sperrichtung i^

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bekannt sein. Diese Größe läßt sich leicht aus bekannten Gleichungen errechnen, wenn die Dotierungsdichte und die Lebensdauer des Basismaterials bekannt sind. Es wurden reproduzierbar experimentelle Werte von 10" A/cm mit einem Mesa-Aufbau der Übergangszone erreicht. Dieser Wert scheint auch eine vernünftige obere Grenze für gute Planartechnik zu sein. Aus der Annahme eines SättigungsStroms in Sperr-

—6 2
richtung von 10"" A/cm und mit V. * 10 Y ergibt sich aus Gleichung (100), daß zur Erzielung von Dunkelladungsspeicherzeiten von über 1/30 Sekunde in Siliziumübergängen folgendes Kriterium erfüllt sein muß:

~2
1,6 · 10 0hm· cm < p < 4 0hm·cm

in Silizium-Übergängen mit Sperrströmen von 1O^- A/cm für Ladungsspeicherdioden, die in Yidicons betrieben werden. Es ist also klar, daß sich dem Stand der Technik entsprechende stufenförmige Silizium-Flächenübergänge herstellen lassen, die die Anforderungen für den Betrieb als Ladungsspeicherelemente in Vidicons bei Raumtemperatur erfüllen. Mit der Annäherung des spezifischen Widerstands y der schwach dotierten η-Seite an den Wert 10 0hm·Om nimmt die Ladungsspeicherzeit zu; alle Übergänge mit spezifischen Widerständen unter 4 0hm·cm und Leckströmen in Sperrichtung von weniger ' fs ?

als 10 A/cm ergeben mindestens 1/30 Sekunde Ladungsspeicherung. In Pig. 5 ist die Ladungsspeicherzeit gegen den spezifischen Widerstand mit i_R als Parameter aufgetragen,

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und zwar nach Gleichung (60).

Bei Germanium-Übergängen sind die Anforderungen für einen Betrieb als Vidiconspeicherplattenelement strenger, da ein größerer Leckstrom in Sperriehtung vorhanden ist. Die Durchbruchfeldstärke des Germaniums beträgt etwa 1Cr V/cm, so daß die linke Seite von (100) eine niedrigere Grenze für den spezifischen Widerstand des Basismaterials bei 10 Volt Speicherplatten-Betriebspotential ergibt, nämlich 5^>>"'O"* Ohm. cm. Die Dicke der Verarmungsschicht für einen Stufenübergang in Germanium, der aus Basismaterial mit einem spezifischen Widerstand von 10 0hm.cm hergestellt ist, beträgt nach Gleichung (50) für 10 Volt Vorspan nung etwa 1 Mikron. Die .Kapazität einer solchen Anordnung ist somit etwa 1,4 · 10 3?/cm . Soll die Ladungs-Speicherzeit langer als 1/30 Sekunde sein, so ergibt sich aus Gleichung (20), daß der Leckstrom in Sperriehtung kleiner sein muß als

R <· ¹⁰

Die Voraussagen dieser Theorie wurden an Hand einiger großflächiger Experimentierdioden aus Silizium überprüft. Diese Dioden wurden unter Benutzung der Diffusionstechnik für Mesa-Halbleitergebilde hergestellt. Die Ladungsspeicherzeiten bei Vorspannung in Sperriehtung wurden mittels einer Impulsanordnung gemessen.

Die Theorie in den vorstehenden Abschnitten wurde 909838/0616

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speziell für p⁺n-Grebilde erläutert, da im folgenden Abschnitt gezeigt wird, daß die Elektronenstrahl-Aufladeverfahren den p⁺n-Aufbau erfordern und nicht den η p-Aufbau. Der Ladungs-Abbau erfolgt jedoch beim p⁺n-Gebilde genau so wie beim n⁺p-Gebilde; die zugehörige Theorie ändert sich nur insoweit als "p" für "n" eingesetzt wird. Die unten beschriebene experimentelle Arbeit wurde der Bequemlichkeit wegen an n⁺p-Dioden durchgeführt.

Es sei hier bemerkt, dafl das ladungsspeichernde, lichtempfindliche, bildwandelnde Gebilde gemäß der vorliegenden Erfindung nicht immer ein p⁺n-Gebilde sein muß, da die mosaikartig aufgeteilte Oberfläche auch positiv aufgeladen werden kann. In diesem Pail, wenn also die Mosaikfläche positiv aufgeladen wird, benutzt man einen n⁺p-Aufbau üb in geeigneter Veise in Sperrichtung vorspannen zu können. Eine solche positive Aufladung kann z.B. mittels Koronaaufladung oder durch Abtasten mit positiven Ionen-Strahlen erfolgen.

Mehrere 0,25 mm dicke Plättchen aus p-leitendem Silizium mit 0,1 Ohm·cm spezifischem Widerstand wurde 30 Minuten lang bei 95O⁰C einem Phosphordampfstrom ausgesetzt, um eine weniger als 1 Mikrometer dicke n⁺-leitende Oberflächenumkehrschlcht zu erzeugen. Die eine Seite wurde weggeätzt, so daß eine Plattchendicke von 0,20 mm verblieb, mit einem Phosphatglas auf der einen Seite. Die Plättchen wurden dann 15 Minuten lang bei 900⁰C einem Strom aus Bor-9 0 9 8 3 8/0616

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dampf ausgesetzt, um auf der geätzten fläche einen ρ Kontakt zu erzeugen. Eine 1 cm große Mesa wurde dann in beide Oberflächen geätzt, so daß ein n⁺-p-p⁺-Grebilde entstand. Identische Arbeitsgänge wurden an Plättchen mit 1000 Ohm·ca spezifischem Widerstand ausgeführt. Es wurden so mehrere n⁺-p-p⁺-Stufen-Dioden aus Material mit niedrigem spezifischem Widerstand (welcher das Kriterium für lange Ladungerelaxationszeiten erfüllt) hergestellt, sowie mehrere identische Dioden aus Material mit hohem spezifischem Widerstand (welcher diese* Kriterium nicht erfüllt).

Die Kapazitäten wurden in Abhängigkeit von der Spannung gemessen, um den Wert für die Sicke der Verarmungeschicht zu überprüfen. Sie gemessenen Parameter für die beiden Siodengruppen sind in Tafel I zusammengestellt. Sie kleinen Unterschiede zwischen theoretisch berechneten Sicken der Verarmungsschicht und experimentell gemessenen Werten sind Änderungen des spezifischen Widerstandes des Basismaterial s infolge der Diffusionsbehandlungen zuzuschreiben.

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Tafel I
Experimentell gefundene Dioden-Parameter

	Übergangstyp	Dicke der	Sättigungs-	RC in
		Verarmungs	strom in	msec
	n+p phosphor	schicht in	A/cm2 bei 6 V Sperrspannung	bei un
Basis-Werkstof:	diffundierte	Mikron bei 6 V Sperr		bela steter Diode
	Mesa	spannung	ΙΟ"6
A) 1OOO Π. .cm	n+p phosphor	30		^ 1
p-leitend,	diffundierte
Silizium	Mesa		2-10"7
B) 0,1 -Π. -cm	0,1		^50
p-leitend,
Silizium

Diese Dioden wurden auf ihre Ladungsspeicherfähigkeit bei Vorspannung in Sperrichtung überprüft. Fig* 7 zeigt, daß die RC-Ladungsspeicherzeit des aus 0,01 0hm·cm-Silizium hergestellten Übergangs mindestens 1/30 Sekunde ist, während das Silizium mit hohem spezifischem Widerstand (1000 0hm·cm) ein RC-Produkt ergibt, das nicht einmal in die Nähe von 1/30 Sekunde kommt, wie für den Vidiconbetrieb erforderlich ist.

Für den erfolgreichen Einsatz als Vidiconspeicherplatte muß ein Siliziumübergang neben guter Ladungsspeicher~ fähigkeit auch gute Photoleitereigenschaften haben, sowie ein schnelles Ansprechvermögen auf unterschiedliche Lichtrerhältnisse. Pig. 8 zeigt die spektrale Empfindlichkeitskurve für einen der Ladungsspeicher-Übergängej die Ansprech-

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vom.....i.ä»S.ep.:t....1..9-67- an !!Bildwandljerxährß.!.! Blatt

zeit auf einen Impuls von einer lichtaussendenden Galiiumarseniddiode ist in Fig. 9 wiedergegeben. Ein weiter Spektralbereich für den Betrieb und verhältnismäßig rasche Ansprechzeiten sind an sich für flache übergänge bekannt. Die vorliegenden Baten beweisen jedoch, daß derartige Eigenschaften gleichzeitig mit langen Ladungsspeicherzeiten in Basismaterialien niedrigen spezifischen Widerstands erfindungsgemäß erreicht werden können. Auch die Quantenausbeute der Vorrichtung wurde gemessen. Es wurden mittels eines geeichten Thermoelementdetektors die auf die Diode fallende, von einer 2500⁰K heißen Wolfram-Glühlampe ausgesandte Lichtleistung und desgleichen der induzierte Photostrom gemessen» Gefunden wurde ein Wert von 0,30 yUA/ iM für eine Quantenausbeute von 35$ und.üm Wellenlänge. Auch unter Vakuum wurden solche Übergänge geprüft; sie zeigen dort eher eine verbesserte Leckstrom-Charakteristik in Sperrichtung als irgendeine Verschlechterung.

Damit ein Bild auf einer Vidicon-Speicherplatte bestehen bleibt, muß der Widerstand in Querrichtung groß genug sein, um die einzelnen Elemente voneinander zu isolieren, so daß die beleuchteten Elemente des Bildes nicht verwaschen» Ein einzelner Siliziumübergang kann diese Anforderung natürlich niemals erfüllen, da der Widerstand in Querrichtung in jedem Fall sehr niedrig ist. Dagegen kann eine Anordnung vieler kleiner, voneinander getrennter Übergänge auch diese besondere Forderung erfüllen» Die nötige

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Isolierung vixd durch die Sperrvorspannung der Obergänge bei einem typischen Yidieonabtastbereioh erreicht. Um eine 500 Zeilen-Auflösung für Pörnsehzweoke zu bekommen, müssen Einzel elemente τοη etwa 0,038 mm mal 0,038 mm gebildet werden mit einem Abstand von 0,0075 mm zwischen den Elementen. Sa keine leitungen an die Einzelelemente angeschlossen werden müssen, ist das ganze Problem weniger kompliziert als das der Herstellung monolithischer integrierter Schaltkreise· Diese Elemente lassen sich durch Photolithographie und KPR-Techniken herstellen·

Bei der Speicherplatte 12 in ?ig. 1 durchdringt das einfallende Licht die transparente Frontelektrode 22 und bildet Elektronlochpaare oder, anders ausgedrückt, Elektron-Defektelektron-Paare im η-leitenden Silizium-Plättchen. Diese Paare diffundieren zu den diskreten Übergangszonen oder ELächenkontaktelementen auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Rückseite des Siliziumplättchens und entladen die zugehörigen Fläohenkontaktelemente· Die Diffusion τοη Minoritätsträgern τοη der Vorderseite zur Rückseite Terlangt ein sehr dünnes Plättchen aus zwei Gründen: erstens ist mit dem Diffusionsprozeß eine gewisse Streuung verbunden, die so klein wie möglich gehalten werden muß; zweitens dürfen die Minoritätsträger nicht einen so weiten Weg zurückzulegen haben, daß sie "sterben" beTor sie die rückwärtigen Vlächenkontaktelemente erreicht haben. Der •rate Grund Terlangt, daß die Plättchendicke kleiner ist

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BAD GRiGiNAL

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vom ...18....Se.p.t.«..19.6? an OüLldwandlerröhre.?. Blatt...

als die gewünschte Auflösung, so daß die Auflösung nicht durch Diffusion in Querrichtung Yerschlec&tert werden kann· Dies bedeutet eine Plattchendicke von weniger als 0,063 mm, was mit heutigen Polier- und itztechniken zu erreichen ist. Der zweite Grund erfordert, daß die Diffusionslänge größer ist als die Plättchendicke· Für Material von 1 Ohm·cm spezifischem Widerstand ist T-A₄IO" see und

^Lp " (^Do'V ft*°»°5 mm. Das heißt Betrachtungen über die Diffusionslänge erfordern Plättchendicken unter 0,05 mm.

Aus Pig. 1 1st zu entnehmen, daß der Elektronen«? strahl auch die Flächen der Siliziumepeicherplatte abtastet, die zwischen den einzelnen flächenkontaktelementen liegen, und nicht nur diese Elemente selbst. Bei einem typischen Vidiconelektronenauffangsystem würden diese Zwischenflächen ein großes unerwünschtes Signal beisteuern. Ss gibt zwei Möglichkeiten, ein derartiges Signal zu eliminieren: erstens könnte man die !lachen zwischen den Elementen mittels einer aufgedampften dielektrischen Schicht abdecken; zweitens könnte man eine Planaroxydbauteehnik wählen. Die erste Möglichkeit erfordert eine etwas schwierige Maakenjustierprozedur während der Herstellung, läßt sich jedoch bei Meaabautechnik durchführen. Die zweite Möglichkeit ist ein natürliches Ergebnis der Anwendung einer Planaroxydbauteehnik zur Herstellung des Mosaikmusterβ. In diesem lall würde auf dem η-leitenden Siliziumbasisplättchen eine dicke Oxyd-

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vom ...Ia-SePi-IaS?. an fBlldwandlesrQhrA.!! Blatt ..

schicht auf einer Oberfläche aufgebracht werden. Sodann würden Löcher mit der gewünschten Auflösung in die Oxydsohioht photogeätzt und ein p-leitender Donator durch die Löcher in die freigelegten Flächen eindiffundiert werden.

Solange die Oxydschicht einen spezifischen Widerstand von

1 2
über 10 Ohm·cm hat, tritt kein Lecksignal auf, wenn der Elektronenstrahl Flächen zwischen den Flächenkontaktelemen- λ ten trifft.

Die vorstehende Erörterung der Ladungsspeicherung Ton in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergängen bezog sich sowohl auf n⁺p- als auch auf p⁺n-Gebilde. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Betrachtung des Elektronenstrahl-Abtastsystems eine η-leitende Basis und eine p-leitende Inversionsschicht erfordert, damit ein typischer Vidiconbetrieb ermöglicht wird, also ein Betrieb mit einer Elektronenstrahlenergie des AbtastStrahls, die kleiner ist als das erste Überkreuzungspotential in Bezug auf die Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht. Das ist nötig, weil der Elektronenstrahl die hintere Fläche der Flächenkontaktelernente auf ein negatives Potential auflädt. Damit die Übergangszone in Sperrichtung vorgespannt wird, muß die p-leitende Seite negativ werden. Dies heißt, daß die p-Seite dem ankommenden Elektronenstrahl zugewandt sein muß, die η-leitende Basis dagegen dem einfallenden Licht. Bei einem System, das positive Ladungsträgerstrahlen verwendet, würde die Basis p-leitend und die Mosaik-Anordnung η-leitend sein.

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vom i.a.,..S.e.pt.. .1.9.6.7 _αη !'BildwaMler^äiise» Blatt

Vorstehend wurde gezeigt, daß Halbleiter mit verhältnismäßig kleinen Bandabständen und niedrigem spezifisehen Widerstand, wie Silizium und Germanium, zur Herstellung von yidiconladungsspeicherplatten bei oder in der Nähe der Raumtemperatur verwendet werden können, indem speziell konstruierte Mosaikanordnungen aus p-n-Plächenkontaktelementen verwendet werden. Ein überraschendes Ergebnis der Analyse ist es, daß dotiertes Basismaterial mit niedrigem spezifischen Widerstand im erfindungsgemäßen Vidicon mit p-n-Übergängen verwendet werden muß, im Gegensatz zu der üblichen Forderung nach extrem hohen spezifischen Widerständen bei Vidicons mit kompakter photoleitender Speicherplatte.

Alle Halbleiter, die in dem Maße lichtempfindlich sind, daß eine Bildprojektion mittels aktinischer Strahlung (z.B. Licht, Röntgenstrahlen, Infrarotstrahlung, Gammastrahlung, Teilchenstrahlung etc.) auf eine gemäß der Erfindung konstruierte Speicherplatte aus diesem Halbleiter-Material eine der Bildprojektion entsprechende Änderung der Oberflächen-Ladungsdaten bewirkt, die groß genug ist, daß der Abtastelektronenstrahl zwischen der Strahlung ausgesetzten und der Strahlung nicht ausgesetzten Flächen der Platte unterscheiden kann, sind für die vorliegende Erfindung brauchbar und werden in diesem Sinne als lichtempfindliche Halbleiter bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Bildwandlersystem ist in seiner Anwendung nicht auf den Einsatz in Vidiconkameraröh-909838/0616

votn....ia.,.S.e.p.jti.*..1..9..6.7. an !MldMandLeXrotee..¹! Βία»

ren beschränkt. Die Umwandlung eines optischen Bildes in ein elektrostatisches Bild gemäß der Erfindung kann zur Herstellung eines sichtbaren Drucks gemäß bekannter elektrographischer Verfahren eingesetzt werden. Z.B. kann die Speicherplatte 12 mit einer Koronaentladung aufgeladen und einem Bild ausgesetzt werden, um ein elektrostatisches Abbild zu erzeugen, und dieses elektrostatische Abbild kann auf ein isolierendes Blatt übertragen werden, wo es xerographisch entwickelt werden kann, um einen dem Lichtbild entsprechenden Druck zu erhalten. Weiter sei bemerkt, daß die p-Schicht und die η-Schicht auch aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen können. Die Mosaik-Anordnung von p-n-Übergängen kann als lichtempfindliches, ladungsspeicherndes Gitter benutzt werden, in welchem Fall beide Schichten im wesentlichen als Mosaikanordnungen ausgebildet werden.

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Claims (1)

1. .....1.S...S.e.p.:fc....L9.6.7. an "MldWandlerrohre..¹.¹. Blatt 3€f.

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   Hughes Aircraft Company, Centinela and Teale Street, Culver City,· California, U.S.A.

   =z=53aBS=asEEBSsscsBss3sa£3==sa

   Patentansprüche:

   1. Bildwandlerröhre, insbesondere Vidiconkameraröhre, mit " einer lichtempfindlichen ladungsspeicherplatte und Vorrichtungen zum Abtasten der Speicherplatte mit einem Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherplatte (12) ein Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang enthält, der aus einer vorderen η-leitenden Schicht und einer hinteren p-leitenden Schicht (28) gebildet wird, wobei die hintere Schicht dem Elektronenstrahl zugewandt ist und aus einer regelmäßigen Anordnung diskreter, im wesentlichen gleichmäßig und iso-

   ^ lierend voneinander getrennter Flächen (30) gleicher Größe besteht, wobei der p-n-Übergang eine Dunkelladungsspeicherzeit hat, die größer ist als die Abtastperiodendauer des Elektronenstrahls, und wobei eine durchsichtige Elektrode (22) mit der vorderen Fläche der η-leitenden Schicht in Kontakt steht und Mittel vorgesehen sind um die durchsichtige Elektrode (22) auf einem positiven Potential zu halten, durch das der p-n-Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird.

   2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn·*

   909838/0616 ^BAD

   vom ..J.&..S.e.p±, 19.67 an .!'.MldwsLn.d.le.r.rö.li.re.¹! Blatt ....

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   zeichnet, daß das Halbleitermaterial einen spezifischen Widerstand 9 hat, der der Bedingung

   genügt, wobei

   F = Zener-Durchbruch-Feldstärke,

   V₁ = Speicherplatten-Potential (bis 10 YoIt),

   = Elektronenbeweglichkeit der η-leitenden Schicht, £, * Dielektrizitätskonstante der η-leitenden Schicht, £' « Dielektrizitätskonstante der p-leitenden Schicht,

   i_R = Sättigungsstrom in Sperrichtung ist.

   3β Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chn e t , daß als Halbleitermaterial Silizium mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,01 und 0,1 0hm·cm rerwendet wird.

   4. Verfahren zur Herstellung einer Speicherplatte für eine Vidiconkameraröhre, gekennzei chnet durch die Kombination folgender Schritte:

   Herstellung eines Einkristall-Siliziumplättchens mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,01 und 0,1 0hm·cm und η-Leitfähigkeit; Erzeugung einer Oxydschicht auf einer

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   vom i.Q..»..Q.!8.y..if..*...\.3.S!.i an

   .".Bildw.an.dl.e.r.r.öhr.e." Blatt Vt.....

   Oberfläche des Plättchens; Herstellung einer regelmäßigen Anordnung von Löchern in der Oxydschicht, welche einer bestimmten Auflösung entspricht; Eindiffundieren einer p-leitenden Verunreinigung durch die Löcher zwecks Bildung einer diesen entsprechenden Anordnung diskreter p-n-Übergänge im Plättchen; und Anbringen einer durchsichtigen, leitfähigen Elektrode in Kontakt mit der anderen Oberfläche des Siliziumplättchens.

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