DE1564401B2 - Anordnung mit einer Kaltkathode zum Erzeugen eines freien Elektronenstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Kaltkathode zum Erzeugen eines freien Elektronenstromes aus einem Halbleiterkörper mit einem flächenhaften pn-Übergang, auf dessen einem Oberflächenteil ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff aufgebracht ist, wobei der p-Typ-Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist, und an den pn-Übergang eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt ist. Es gibt zwei Haupttypen von Anordnungen zum Erzeugen eines freien Elektronenstromes mittels einer Kathode.

Einer dieser Haupttypen umfaßt die Anordnung mit einer warmen Kathode. Die meisten Elektronenröhren gehören dazu. Eine warme Kathode hat den Nachteil, daß sie zur Erzeugung eines Elektronenstromes geheizt werden muß, wozu eine Heizquelle notwendig ist. Auch weist eine solche Kathode infolge der zum Aufheizen bzw. Abkühlen der Kathode beanspruchten Zeit Trägheitserscheinungen beim Ein- und Ausschalten auf. Um die in der Praxis unbequeme Heizquelle überflüssig zu machen und die erwähnten Trägheitserscheinungen zu vermeiden, suchte man bereits lange nach einer guten kalten Kathode.

Anordnungen mit einer Kaltkathode stellen den zweiten Haupttyp dar. Bei diesen Anordnungen wurden anfänglich mittels eines starken äußeren elektri-

sehen Feldes Elektronen aus einer zugespitzten und nicht geheizten Kathode herausgezogen. Durch das erforderliche äußere starke elektrische Feld ist die Anwendung dieser Kaltkathode sehr beschränkt und man hat daher nach einer Kaltkathode gesucht, bei der dieses starke äußere elektrische Feld vermieden werden kann.,.

Dies hat zu Anordnungen geführt, die aus einer Kaltkathode mit einem Halbleiterkörper bestehen. Joseph A. B u r t ο η hat solche Anordnungen bereits im Jahre 1955 vorgeschlagen und beschreibt einige Ausführungsbeispiele in der deutschen Patentschrift 1037 026.

Nach diesen Ausführungsbeispielen besitzt der vorzugsweise aus Germanium oder Silizium bestehende Halbleiterkörper einen pn-Übergang, der in der Sperrichtung vorgespannt wird, um mittels des Potentialunterschieds über dem sperrend vorgespannten pn-Übergang Elektronen zu hohen kinetischen Energien zu beschleunigen.

Die hohe kinetische Energie der Elektronen macht , ν das Austreten aus der Oberfläche des n-Typ-Teiles j J des Halbleiterkörpers für einige Elektronen möglich. Das Austreten der Elektronen wird durch einen auf die Oberfläche des n-Typ-Teiles aufgebrachten Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff begünstigt.

Bei einem ersten Typ von Ausführungsbeispielen der bekannten Anordnungen besitzt der Halbleiterkörper nur einen in der Sperrichtung vorgespannten pn-Ubergang, wobei die Sperrspannung so groß gewählt wird, daß Lawinen-Ionisation auftritt, die Elektronen also eine hohe kinetische Energie bekommen. Ein Nachteil dabei ist, daß ein pn-Übergang, bei dem Lawinen-Ionisation homogen längs des pn-Übergangsbereiches erzielt werden kann, schwer herstellbar ist, da eine kleine Unregelmäßigkeit im pn-Übergangsbereich die Lawinen-Ionisation nur stellenweise hervorruft, wodurch die Kathode leicht unbrauchbar wird.

Bei einem zweiten Typ von Ausführungsbeispielen der bekannten Anordnungen hat der Halbleiterkörper eine npn-Struktur mit zwei pn-Übergängen, von denen einer in der Sperrichtung und der andere in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Mittels des in der Vorwärtsrichtung vorgespannten pn-Überganges werden Elektronen in die Umgebung des in der Sperrichtung vorgespannten pn-Überganges injiziert und dort infolge des Potentialabfalls an diesem pn-Übergang beschleunigt, so daß sie eine hohe kinetische Energie bekommen. Dabei braucht keine Lawinen-Ionisation aufzutreten, es ist jedoch ein zweiter pn-Übergang erforderlich.

Beide Gruppen von Ausführungsbeispielen der bekannten Anordnungen haben aber den Nachteil, daß in der Praxis nur ein geringer Teil der beschleunigten Elektronen mit hoher kinetischer Energie austritt, so daß die Anordnungen nach der genannten deutschen Patentschrift mit einer einen Halbleiterkörper enthaltenden kalten Kathode eine niedrige Ausbeute aufweisen. Kaltkathoden werden deshalb noch immer nicht in nennenswertem Umfang angewendet.

In der deutschen Patentschrift 1 037 026 ist nach der Beschreibung der Ausführungsbeispiele noch die Bemerkung gemacht, daß Elektronenemission auch mittels hoher Spannungen in der Vorwärtsrichtung statt in der Sperrichtung erzielt werden kann. Ein konkretes Ausführungsbeispiel wurde dabei aber nicht beschrieben oder angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbeute von Anordnungen mit einer Kaltkathode zum Erzeugen eines freien Elektronenstromes aus einem Halbleiterkörper beträchtlich zu erhöhen und das Beschleunigen von Elektronen im Halbleiterkörper mittels angelegter hoher Vorspannungen, um den Elektronen eine hohe kinetische Energie zu erteilen, überflüssig zu machen.

ίο Die Erfindung geht u. a. von der Erkenntnis aus, daß die aus der genannten deutschen Patentschrift bekannten Konfigurationen, bei denen die Elektronen wenigstens zur Hauptsache über eine Oberfläche des n-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers austreten, auf welche der die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzende Belag aufgebracht ist, eine verhältnismäßig niedrige Ausbeute haben, da die effektive Elektronenaffinität eines n-Typ-Halbleiters mittels eines die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belags nicht ausreichend herabgesetzt werden kann, so daß nur ein verhältnismäßig geringer Prozentsatz, gewöhnlich weniger als 1°/₀₀ der beschleunigten Elektronen austreten kann, auch wenn die Elektronen mittels eines in der Sperrichtung vorgespannten pn-

Übergangs eine hohe kinetische Energie bekommen. Die effektive Elektronenaffinität ist der energetische Abstand zwischen dem Vakuumpegel und der Unterseite des Leitungsbandes (außerhalb der an die Oberfläche grenzenden Zone des Körpers, in der eine Bandkrümmung auftreten kann) im Halbleitermaterial. Diese Umschreibung der effektiven Elektronenaffinität wird nachstehend noch näher besprochen werden.

Die Erfindung geht weiter von der Erkenntnis aus, daß die effektive Elektronenaffinität eines p-Typ-Halbleiters mittels eines die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belags beträchtlich weiter herabgesetzt werden kann als die eines n-Typ-Halbleiters. Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugründe, daß bei einer richtigen Kombination von Materialien für den p-Typ-Halbleiter und den Belag, nämlich einer Kombination, bei der die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Halbleitermaterial, die Elektronen-Austrittsarbeit für in das p-Typ-Halbleitermaterial injizierte und im Leitungsband befindliche Elektronen praktisch beseitigt werden kann.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Belag (aus dem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff) wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, daß der Belag aus einem so ausgewählten Material und der p-Typ-Teil aus einem so ausgewählten und p-dotiertem Material bestehen, daß die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil, so daß vom injizierenden Anschluß aus in den p-Typ-Teil injizierte Elektronen über die belegte Oberfläche des p-Typ-Teiles aus der Kathode austreten können und daß der Abstand zwischen dem Belag und dem injizierenden Übergang nur so groß ist, daß Elektronen die Oberfläche des Halbleiterkörpers erreichen können.

Unter Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrach-

ten Belags wird hier die Energie verstanden, die der langwelligen Grenzwellenlänge entspricht, bei der bei photoelektrischer Emission die Emission von Elektronen beginnt. Diese Energie gibt praktisch den Abstand zwischen dem Fermipegel und dem Vakuumpegel an. Das eine und das andere wird nachstehend noch näher erläutert.

Man kann Beläge aus verschiedenen, die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materialien, z.B. aus verschiedenen Alkalimetallen, auf Halbleiterkörper aus verschiedenen Halbleitermaterialien aufbringen und für die Beläge photoelektrisch die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags messen, worauf zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung eine Kombination eines Halbleitermaterials und eines die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materials gewählt wird, wobei die Breite des verbotenen Energiebandes des betreffenden Halbleitermaterials praktisch gleich oder größer ist als die Austrittsarbeit des betreffenden, die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materials.

Ist die Breite des verbotenen Energiebandes des betreffenden Halbleitermaterials praktisch gleich oder größer als die Elektronen-Austrittsarbeit des betreffenden Belags, so kann einfach durch Dotierung des Halbleitermaterials mit einer ausreichend großen Konzentration an Akzeptoren (p-Typ-Leitung) der Abstand zwischen dem Fermipegel im verbotenen Energieband und dem Boden des Leitungsbandes auch praktisch gleich oder größer als die Elektronen-Austrittsarbeit des betreffenden Belags gewählt werden, wodurch das Halbleitermaterial in Kombination mit dem Belag in einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendbar ist.

Es ist einleuchtend, daß der Abstand zwischen der Stelle, an der Elektronen in den p-Typ-Teil injiziert werden, und der bedeckten Oberfläche des p-Typ-Teiles, an der die Elektronen austreten sollen, klein genugsein muß, damit die Elektronen diesen Abstand zurücklegen können, genau wie z. B. bei einem Transistor gilt, daß die Stärke der Basiszone klein genug sein muß, damit die von der Emitterelektrode injizierten Elektronen die Kollektorelektrode erreichen können. Für diesen Abstand gilt daher eine Bedingung ähnlich der für die Dicke der Basiszone eines Transistors, nämlich daß dieser Abstand höchstens gleich der Diffusions-Rekombinationslänge der Elektronen im p-Typ-Teil ist.

Infolge des auf den p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aufgebrachten Belags tritt bei der belegten Oberfläche im p-Typ-Teil Bandkrümmung auf, wobei der Fermipegel in Richtung zur belegten Oberfläche näher am Leitungsband zu liegen kommt. Da in der Zone bei der belegten Oberfläche, in der diese Bandkrümmung auftritt, die im Leitungsband befindlichen injizierten Elektronen Energie verlieren können, wodurch das Austreten erschwert wird, ist es erwünscht, daß der Abstand von der bedeckten Oberfläche ab, über den diese Bandkrümmung auftritt, klein ist, z. B. kleiner als 300 Ä und sogar kleiner als 200 Ä. Dieser Abstand ist klein bei einer hohen Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil, und eine wichtige Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß die Akzeptorkonzentration, wenigstens in der Nähe der belegten Oberfläche im p-Typ-Teil wenigstens 10"¹ Akzeptoren pro cm³ beträgt. Vorzugsweise beträgt die Akzeptorenkonzentration sogar wenigstens 10¹⁹ Akzeptoren pro cm³.

Bemerkt wird, daß mit dem Abstand zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes der Abstand im p-Typ-Teil außerhalb der Zone gemeint wird, in der die erwähnte Bandkrümmung auftritt. Wie gesagt, ist dieser Abstand in hochdotiertem p-Typ-Material häufig praktisch gleich der Breite des verbotenen Bandes.

Mit Rücksicht auf eine maximale Herabsetzung der

ίο effektiven Elektronenaffinität besteht vorzugsweise wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,2 eV, und besonders gute Ergebnisse wurden mit Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,3 eV erreicht.

Wenigstens der p-Typ-Teil kann vorteilhaft aus einer A_m-B_v-Verbindung oder aus einem Mischkristall solcher Verbindungen bestehen.

Der Belag kann vorteilhaft aus einem Alkalimetall, vorzugsweise Cäsium, oder aus einem Erdalkalimetall, vorzugsweise Barium, bestehen. (

Als besonders günstige Kombinationen erweisen sich diejenigen, bei denen der p-Typ-Teil aus Galliumarsenid (Breite des verbotenen Energiebandes etwa 1,4 eV) und der Belag aus Cäsium (Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags etwa 1,4 eV) bzw. der p-Typ-Teil aus Galliumphosphid (Breite des verbotenen Energiebandes etwa 2,3 eV) und der Belag aus Cäsium oder Barium (Elektronen-Austrittsarbeit kleiner als 2,3 eV) besteht. Ein günstiger Akzeptor für den p-Typ-Teil ist z.B. Zink, das leicht in großer Konzentration eingebaut werden kann.
In verschiedenen Fällen erweist es sich aber als günstig, wenn der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen Akzeptorpegel im verbotenen Energieband in einem Abstand von mindestens 0,3 eV, vorzugsweise mindestens 0,4 eV vom Valenzband hervorrufen. Akzeptoren mit einem solchen Akzeptorpegel werden zu einem kleineren Teil ionisiert sein als Akzeptoren mit einem näher zum Valenzband liegenden Akzeptorpegel, wodurch eine geringere Konzentration an freien Löchern im Valenzband auftritt, was im allgemeinen der Injektion von Elektronen in den p-Typ-Teil zuträglich ist. Ein wichtiges Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen Akzeptorpegel erzeugen, der in einem Abstand von mindestens 0,3 eV, vorzugsweise mindestens 0,4 eV vom Valenzband liegt.

In diesem Zusammenhang können, falls der p-Typ-Teil aus Galliumphosphid besteht, die Akzeptoren vorteilhaft aus Kupfer bestehen. Kupfer verursacht einen Akzeptorpegel in einem Abstand von etwa 0,5 eV vom Valenzband.

Für die Injektion von Elektronen in den p-Typ-Teil kann vorteilhaft einfach ein in der Vorwärtsrichtung vorgespannter p-n-Übergang benutzt werden, und ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung weist daher das Kennzeichen auf, daß der injizierende Anschluß einen mit dem p-Typ-Teil einen p-n-Übergang bildenden n-Typ-Teil des Halbleiterkörpers enthält, wobei weiterhin eine erste wichtige Gruppe von Ausführungsformen das Kennzeichen aufweist, daß der p-Typ-Teil von einer durch Diffusion eines Akzeptors erzielten Zone gebildet wird, und eine zweite wichtige Gruppe von Ausführungsformen

das Kennzeichen aufweist, daß der p-Typ-Teil wenigstens teilweise von einer epitaxial angewachsenen Halbleiterschicht gebildet wird.

Mit Rücksicht auf eine gute Injektion kann vorteilhaft eine sogenannte Breitband-Emitterelektrode verwendet werden, wozu ein weiteres sehr wichtiges Ausführungsbeispiel das Kennzeichen aufweist, daß die Breite des verbotenen Energiebandes des n-Typ-Teiles größer ist als die des p-Typ-Teiles. Ein Halbleiterkörper mit einem n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und einem p-Typ-Teil aus Galliumarsenid hat sich als besonders geeignet erwiesen.

Wie bereits oben ausgeführt worden ist, muß der Abstand zwischen der Stelle, an der Elektronen in den p-Typ-Teil injiziert werden, und.der bedeckten Oberfläche des p-Typ-Teiles kleiner sein als die Diffusions-Rekombinationslänge der Elektronen im p-Typ-Teil. Im allgemeinen wird man den p-Typ-Teil mit Rücksicht auf eine hohe Elektronenemission technisch möglichst dünn wählen. Dies kann zur Folge . haben, daß der Schichtwiderstand des p-Typ-Teiles ) für mehrere Anwendungen störend groß sein kann. Eine wichtige Ausführungsform weist daher das Kennzeichen auf, daß der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einer Oberflächenzone mit einem zusammenhängenden rasterförmigen Muster von Verdikkungen besteht. Die Verdickungen können z.B. die Form eines Kammes, eines Gitters oder eines Netzwerkes haben.'

Der injizierende Anschluß des p-Typ-Teiles braucht nicht ein n-Typ-Teil des Halbleiterkörpers der Kathode zu sein, der mit dem p-Typ-Teil einen p-n-Übergang bildet. Der injizierende Anschluß kann jeglicher injizierende Kontakttyp sein, z. B. ein injizierender Spitzenkontakt oder ein injizierender Metallhalbleiterkontakt (Schottky-Kontakt).

Die Anordnung nach der Erfindung kann in einer Elektronenstrahlröhre verwendet werden, die dann mit einer Kathode mit einem Halbleiterkörper versehen ist, auf dessen Oberfläche ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Halbleiterkörpers p-Typ-Leitung aufweist und dieser Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist, der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, und der Belag und der p-Typ-Teil aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil. Naturgemäß sind die Kathode und die weiteren Elektroden dabei derart in der Röhre angeordnet, daß wenigstens zur Hauptsache nur aus dem p-Typ-Teil austretende Elektronen zur Wirkung der Röhre beitragen können.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Energiediagramm eines Halbleiterkörpers mit einem p-n-Ubergang,

F i g. 2 ein Beispiel eines Energiediagramms eines einen p-n-Übergang enthaltenden Halbleiterkörpers, auf den ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag aufgebracht ist, geeignet zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 und 4 einige weitere Energiediagramme von Halbleiterkörpern mit einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belag,

F i g. 5 schematisch und teilweise im Querschnitt ein Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 6 bis 8 und 10 bis 11 schematisch und im Querschnitt in verschiedenen Herstellungsstadien ein Beispiel einer Kathode zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 9 eine Draufsicht der Kathode nach Fig. 8, wobei Fig. 8 ein Querschnitt gemäß der Linie

ίο VIII-VIII der Fig. 9 ist,

Fig. 12 schematisch und im Querschnitt ein Beispiel eines Halbleiterkörpers einer Kathode der Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt auf übliche Weise das Energiedia-

gramm eines Halbleiterkörpers mit einem p-n-Übergang, bei dem die Elektronenenergie E vertikal aufgetragen ist. Die unterbrochene Linie F stellt den Fermi-Pegel im Halbleiterkörper dar, die Linie A die Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers, V den Vakuumpegel, d. h. die Energie eines außerhalb des Halbleiterkörpers befindlichen freien Elektrons in Ruhe, auf welches durch den Kristall keinen Einfluß ausgeübt wird, und X die Elektronenaffinität des Halbleiterkörpers, d.h. die Energie, die einem Elektron unten im Leitungsband zugeführt werden muß, um das Elektron über die Oberfläche A austreten zu lassen.

Da X groß ist, ist es schwer, Elektronen über die Oberfläche A austreten zu lassen. Um eine angemessene Elektronenemission zu ermöglichen, muß der Energieunterschied X zwischen dem Boden 2 des Leitungsbandes und dem Vakuumpegel V herabgesetzt werden. Diese Herabsetzung kann durch Aufbringung eines Belags aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material auf den Halbleiterkörper erreicht werden. Unter anderem wird nach der Erfindung dieser Belag auf einen p-Typ-Halbleiter aufgebracht, da bei einem p-Typ-Halbleiter die effektive Elektronenaffinität für im Leitungsband bef indliche Elektronen weiter herabgesetzt werden kann als bei einem n-Typ-Leiter, wie sich nachstehend noch näher ergeben wird.

Der aufzubringende Belag wird aus einem Material bestehen, dessen Atome in an der Oberfläche des Halbleiters adsorbiertem Zustand eine Ionisationsenergie / aufweisen. Wird ein Atom dieses Materials an der Oberfläche A adsorbiert, so liegt der Energiepegel 3 des bei Ionisierung vom Atom abgegebenen Elektrons in einem Abstand gleich / unter dem Vakuumpegel V.

Da der Halbleiterkörper in der Umgebung des Fermipegels mehrere unbesetzte Pegel aufweisen wird, bei einem p-Typ-Halbleiter z. B. mehrere Akzeptorpegel und mehrere oben im Valenzband liegende Pe-

gel, wird das Elektron des adsorbierten Atoms des Energiepegels 3 zu einem niedriger liegenden Energiepegel in der Umgebung des Fermipegels F springen. Das adsorbierte Atom wird dabei ionisiert.
Werden weitere Atome an der Oberfläche A adsorbiert, so ionisieren auch diese Atome und geben an das Halbleitermaterial Elektronen ab, die einen Pegel in der Umgebung des Fermipegels bei der Oberfläche A besetzen. Die abgegebenen Elektronen werden infolge von an der Oberfläche A vorhandenen positiv geladenen Ionen in der Umgebung der Oberfläche A im Halbleiterkörper bleiben.

Bei weiterer Adsorption wird die Elektronenbesetzung der verfügbaren Energiepegel in der Umgebung

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der Oberfläche A im Halbleiterkörper also stets größer, wodurch bei der Oberfläche A der Fermipegel F näher am Boden 2 des Leitungsbandes zu liegen kommt, während an der Oberfläche A der Fermipegel F mit dem Boden 2 des Leitungsbandes zusammenfallen kann. Der Fermipegel F wird den Boden 2 des Leitungsbandes praktisch nicht überschreiten, da im Leitungsband eine so große Dichte von Pegeln vorhanden ist, daß sogar bei Aufnahme einer sehr großen Anzahl Elektronen der Fermipegel F noch stets praktisch mit dem Boden 2 des Leitungsbandes zusammenfällt.

Die Aufnahme von Elektronen durch den Halbleiterkörper hat somit zur Folge, daß an der Oberfläche A der Fermipegel F praktisch mit dem Boden 2 des Leitungsbandes zusammenfällt, während tiefer im Halbleiterkörper keine Änderungen auftreten. Dies führt zur Bandkrümmung bei der Oberfläche A.

Bemerkt wird, daß bei Halbleitern mit einer großen Dichte an Oberflächenpegeln der Belag keine oder praktisch keine zusätzliche Bandkrümmung gegenüber der in diesem Falle ohne Belag bereits vorhandenen Bandkrümmung herbeiführen wird.

Weiterhin entsteht bei der Oberfläche A eine elektrische Doppelschicht, die aufgenommenen Elektronen im Halbleiterkörper bei der Oberfläche A eine negative Raumladung hervorrufen, während die an der Oberfläche adsorbierten Ionen eine positive Ladung haben. Der an dieser Doppelschicht auftretende Potentialabfall hat zur Folge, daß bei weiterer Adsorption von Atomen der Pegel 3 sich stets mehr dem Fermipegel F nähert. Im Endzustand fällt der Pegel 3 mit dem Fermipegel .F zusammen. Dies bedeutet, daß bei weiterer Adsorption die adsorbierten Atome nicht mehr ionisiert werden. Dies diesem Endzustand entsprechende Energiediagramm ist von der Art, wie in F i g. 2 dargestellt. Dieser Endzustand ist bereits bei Adsorption einer ungefähr monoatomaren Schicht des die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materials erreicht. Gewöhnlich ist sogar noch keine monoatomare Schicht notwendig.

Die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags ist in F i g. 2 mit U bezeichnet. U wird durch den Abstand zwischen dem Vakuumpegel Fund dem Fermipegel F bedingt.

Aus Fig. 2 ist deutlich ersichtlich, daß, wenn U etwa gleich oder kleiner ist als E_F (der Abstand zwischen dem Fermipegel F im p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers und dem Boden 2 des Leitungsbandes) in den p-Typ-Teil injizierte und im Leitungsband befindliche Elektronen 4 praktisch ohne Energieaufnahme austreten können (siehe Pfeil 5 in Fig. 2, in der U praktisch gleich E_F dargestellt ist). Elektronen können mittels eines injizierenden Anschlusses in den p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers injiziert werden. Nach F i g. 2 besitzt der injizierende Anschluß einen mit dem p-Typ-Teil einen p-n-Übergang bildenden n-Typ-Teil, wobei Elektronen in den p-Typ-Teil dadurch injiziert werden können, daß der p-n-Übergang in der Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Da die in den p-Typ-Teil injizierten Elektronen 4 ohne weitere Energieaufnahme austreten können, ist eine gute Ausbeute bei Elektronenemission möglich, und das Anlegen großer Spannungsunterschiede zur Beschleunigung der Elektronen ist nicht mehr notwendig.

Wird der gleiche Belag auf einen n-Typ-Halbleiter aufgebracht (siehe Fig. 3), bei dem der Fermipegel F nahe am Leitungsband liegt, so tritt ein Endzustand ein, bei dem im Leitungsband befindliche Elektronen 4 viel Energie aufnehmen müssen, bevor sie austreten können (siehe den Pfeil 6 in Fig. 3). Durch

Anwendung des gleichen Belags ist U in beiden Fällen (F i g. 2 und F i g. 3) gleich groß. In F i g. 3 müssen die Elektronen daher auf eine hohe kinetische Energie beschleunigt werden, bevor sie über die bekleidete Oberfläche B austreten können, und dies macht das

ίο Erreichen einer guten Ausbeute bei Elektronenemission besonders schwer. Die Situation wird bei Vorhandensein einer großen Dichte an Oberflächenpegeln dann noch ungünstiger.

Bemerkt wird, daß unter der bereits erwähnten effektiven Elektronenaffinität der energetische Abstand zwischen dem Vakuumpegel Fund dem Boden 2 des Leitungsbandes verstanden wird. In Fig. 1 ist die effektive Elektronenaffinität gleich Kundin Fig. 2 und 3 gleich U-E_F. Aus F i g. 2 und 3 ist deutlich ersicht-Hch, daß die, effektive Elektronenaffinität bei Verwendung des gleichen Belags (U in beiden Fällen gleich) im Falle nach Fig. 3 (Belag auf n-Typ-Halbleiter) größer ist als im Falle nach Fig. 2 (Belag auf p-Typ-Halbleiter).

F i g. 4 zeigt deutlichkeitshalber noch den Vakuumpegel F₁ bzw. F₁₁ gegenüber dem Fermipegel F im p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers, falls ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag auf die Oberfläche A aufgebracht wird, deren adsorbierte Atome eine Ionisationsenergie I₁ haben und wobei U₁ größer als E_F ist, und falls ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag auf die Oberfläche A aufgebracht wird, deren adsorbierte Atome eine Ionisationsenergie I_n haben und wobei U_n kleiner als E_F ist. Im ersten Falle können nur im Leitungsband vorhandene Elektronen mit einer hohen kinetischen Energie austreten, im zweiten Falle tritt eine solche Beschränkung nicht auf.

Bemerkt wird (siehe z.B. Fig. 2), daß in den p-Typ-Teil injizierte Elektronen 4, die sich zur beklei-

■ deten Oberfläche A bewegen, eine an der Oberfläche A angrenzende Zone passieren müssen, in der Bandkrümmung auftritt. In dieser Zone können die Elektronen 4, im Leitungsband bleibend, Energie abgeben, wodurch das Austreten über die Oberfläche A erschwert oder unmöglich wird. Da die Zone mit Bandkrümmung sich nur über einen kurzen Abstand von der Oberfläche A her erstreckt, wird nur eine kleinere Anzahl Elektronen hier Energie abgeben.

Um die Möglichkeit einer Energieabgabe durch injizierte Elektronen in der Zone mit Bandkrümmung besonders klein zu halten, erstreckt sich diese Zone vorzugsweise nicht weiter als über einen Abstand von 300 bis 200 A von der Oberfläche A her. Dieser Abstand ist klein bei einer hohen Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil, und vorzugsweise beträgt die Akzeptorkonzentration im p-Typ-Teil, wenigstens bei der bekleideten Oberfläche A, mindestens 10¹⁸ Akzeptoren/cm³ oder sogar 10" Akzeptoren/cm³.

Die austretenden Elektronen müssen weiterhin den bei der Oberfläche vorhandenen Potentialberg passieren. Da dieser Potentialberg sich im wesentlichen über einen sehr kurzen Abstand von höchstens wenigen Angström von der Oberfläche A her erstreckt (ungefähr über eine mono-atomare Schicht des Belags), hat dieser Potentialberg praktisch keinen Einfluß auf die austretenden Elektronen.

Auf Grund der vorhergehenden Betrachtungen

weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstromes mit einer Kathode 10 (siehe Fig. 5), in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung schematisch und teilweise im Querschnitt dargestellt ist, mit einem Halbleiterkörper 11, auf eine Oberfläche 12 desselben ein Belag 13 aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material aufgebracht ist, wobei wenigstens ein Teil 14 des Halbleiterkörpers 11 p-Typ-Leitung aufweist, und dieser Teil 14 mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen 15 und (16,17) versehen ist, von denen wenigstens einer (16, 17) ein injizierender Anschluß ist, nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß der Belag 13 wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles 14 des Halbleiterkörpers 11 aufgebracht ist, und der Belag 13 und der p-Typ-Teil 14 aus Materialien bestehen, bei denen die Elektronen-Austrittsarbeit Ό des Belags 13 praktisch gleich oder kleiner ist als E_F, d.h. dem Abstand zwischen dem Fermi-Pegel fund dem Boden 2 des Leitungsbandes im p-Typ-Teil 14, wodurch aus dem injizierenden Anschluß (16,17) in den p-Typ-Teil 14 injizierte Elektronen über die bekleidete Oberfläche 12 des p-Typ-Teiles 14 austreten können, und Mittel (die Spannungsquelle 18) vorhanden sind, durch die der injizierende Anschluß (16, 17) in der Vorwärtsrichtung vorgespannt wird.

Der injizierende Anschluß (16,17) besteht im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 aus einem mit dem p-Typ-Teil 14 einen p-n-Ubergang 19 bildenden n-Typ-Teil 16, der mit einem Anschlußkontakt 17 versehen ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 betrifft eine Vorrichtung mit einer Elektronenröhre, welche die Kathode 10, das Steuergitter 20 und die Anode 21 enthält, welche von einer durch die unterbrochene Linie 22 angedeuteten Hülle umgeben sind. Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann aber jeglichen Elektronenröhrentyp, der normalerweise mit einer Kathode versehen ist, wie ein Klystron, eine Fernsehröhre, eine Penthode usw. enthalten.

Mittel, durch die über die Klemmen 23 und 24 Vorspannungen an dem Steuergitter 20 und der Anode 21 angelegt werden und/oder Signale dem Steuergitter und/oder der Anode zugeführt oder entnommen werden, sind um die Übersicht zu erleichtern in Fi g. 5 nicht dargestellt.

Wie gesagt, ist der p-Typ-Teil 14, wenigstens in der Umgebung der belegten Oberfläche 12, vorzugsweise stark dotiert, wobei die Akzeptorkonzentration wenigstens 10¹⁸ Akzeptoren/cm³ oder sogar wenigstens 10¹⁹ Akzeptoren/cm³ beträgt.

Die über den p-n-Übergang 19 in den p-Typ-Teil 14 injizierten Elektronen müssen die belegte Oberfläche 12 erreichen können, und für die Stärke des p-Typ-Teiles 14 gilt daher die in der Halbleitertechnik übliche Bedingung für Zonen, die von injizierten Minoritätsladungsträgern durchlaufen werden müssen. Man denke z.B. an die Basiszone eines Transistors, nämlich, daß die Stärke des p-Typ-Teiles 14, d. h. der Abstand zwischen dem p-n-Übergang 19 und der bekleideten Oberfläche 12, kleiner ist als die Diffusions-Rekombinationslänge der Minoritätsladungsträger (Elektronen).

Bemerkt wird, daß Eingangssignale auch, z. B. mittels der Signalquelle 26, der Kathode 10 zugeführt werden können, so daß die Elektronenemission von der Kathode 10 moduliert werden kann und das Steuergitter 20 entbehrlich ist.

Zum Kombinieren der richtigen Materialien für den Halbleiterkörper und den Belag 13 der Kathode 10 einer Vorrichtung nach der Erfindung wird zunächst, insoweit nicht bekannt, bei die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Materialien, z.B. Alkali-Metallen und Erdalkali-Metallen, die Elektronen-Austrittsarbeit U von angebrachten Belägen dieser Materialien auf verschiedenen Halbleitermaterialien

ίο gemessen.

Die Elektronen-Austrittsarbeit U eines aufgebrachten Belags kann photoelektrisch gemessen werden. U ist nämlich praktisch die Energie, die der lang- · welligen Grenzwellenlänge entspricht, bei der die photoelektrische Emission von Elektronen beginnt. Die minimale Energie, die in dem an der bekleideten Oberfläche (A in Fig. 2 und 4, B in Fig. 3) angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers vorhandene Elektronen aufnehmen müssen, um über die belegte

zo Oberfläche, austreten zu können, ist nämlich praktisch der energetische Abstand zwischen dem Fermi-Pegel F und dem Vakuumpegel V, also U, da im Halbleiterkörper vorhandene Elektronen mit der höchsten Energie Energie-Pegel beim Fermi-Pegel F besetzen.

Die Energie, die auffallende Strahlung an Elektronen abgeben kann, nimmt bei abnehmender Wellenlänge der auffallenden Strahlung zu, wodurch die langwellige Grenzwellenlänge, bei der die photoelektrische Elektronenemission beginnt, der Energie U entspricht.

Die Breite des verbotenen Energiebandes von praktisch sämtlichen bekannten Halbleitermaterialien ist bekannt, und man wählt nun ein Halbleitermaterial und ein die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzendes Material, bei denen die Breite des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials praktisch gleich oder größer ist als das {/eines Belags aus dem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Material. Dadurch, daß dem Halbleitermaterial durch Dotierung mit Akzeptoren p-Typ-Leitung gegeben wird, kann der Abstand E_F zwischen dem Fermipegel und dem Boden des Leitungsbandes im Halbleitermaterial gleichfalls praktisch gleich oder größer als U gewählt werden, woraus sich eine durch die Erfindung vorgeschriebene Kombination ergibt.

Aus Fig. 1 bis 4 und den vorhergehenden Betrachtungen ist es einleuchtend, daß die effektive Elektronenaffinität mit einem gewählten Belag mit zunehmender Breite des verbotenen Bandes des p-Typ-Teiles weiter herabgesetzt werden kann. Die Breite des verbotenen Bandes, wenigstens des p-Typ-Teiles, beträgt vorteilhaft wenigstens 1,2 eV und vorzugsweise wenigstens 1,3 eV.

Besonders geeignete Halbleitermaterialien sind unter anderem A_m-B_v-Verbindungen und Mischkristalle solcher Verbindungen. Der Belag kann vorteilhaft aus einem Alkali- oder einem Erdalkali-Metall bestehen.

Einige Beispiele zur Herstellung einer Elektronenröhre mit einer Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung werden nunmehr näher beschrieben. Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenröhre besprochen, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper der Α_!Π-Β_ν-Verbindung GaI-liumarsenid mit einem Belag des Alkalimetalls Cäsium enthält. Die Breite des verbotenen Energiebandes von Galliumarsenid beträgt etwa 1,4 eV und die Elektronen-Austrittsarbeit eines Belags aus Cäsium

beträgt gleichfalls etwa 1,4 eV.

Es wird von einer z. B. einkristallinen Scheibe 30 aus η-Typ Galliumarsenid mit einer Konzentration größer als 10¹⁷ Donatoren pro cm³ und einer Dicke von etwa 0,5 mm (siehe Fig. 6) ausgegangen. Die Scheibe kann einen beliebigen Durchmesser haben und in einem späteren Stadium des Verfahrens in kleinere Scheiben mit für die herzustellenden Kathoden gewünschten Abmessungen, z. B. von IXl mm, unterteilt werden.

Die Scheibe 30 wird durch Diffusion von Zink mit einer p-Typ-Oberflächenschicht versehen. Dazu wird die Scheibe 30 zusammen mit einer Menge Zn₃AS₂ in einer verschlossenen entlüfteten Quarzampulle etwa eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur von etwa 850° C erhitzt. Nach Entfernung aus der Ampulle wird die p-Typ-Schicht, ausgenommen auf einer Seite der Scheibe, auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise entfernt, z. B. durch Schleifen und/oder Ätzen. Dann ist eine Scheibe 30 mit einer p-Typ-Oberflächenschicht 31 (siehe Fig. 7) mit einer Dicke von etwa 10 μπι und einer größeren Oberflächenkonzentration als 10¹⁹ Zinkakzeptoren pro cm³ und mit einem übriggebliebenen n-Typ-Teil 32 entstanden.

Anschließend wird eine etwa 1 μπι starke Zinkschicht 33 aufgetragen, z.B. durch Aufdampfen, worauf Teile von der mit der Zinkschicht 33 belegten p-Typ-Schicht 31 entfernt werden, so daß ein rasterförmiger Teil 34,36 (Fig. 8 und 9) verbleibt, der aus einem mit einer rasterf örmigen Zinkschicht 36 bekleideten rasterförmigen p-Typ-Teil 34 besteht. Die Maschen 35 des rasterförmigen Teiles 34, 36, haben Abmessungen von z.B. etwa 100 X 100 μπι und der Abstand, zwischen nebeneinanderliegenden Maschen beträgt etwa 10 μπι. Die teilweise Entfernung der Schichten 31 und 33 kann auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise mittels eines photoerhärtenden Lacks und eines Ätzmittels erfolgen.

Anschließend wird die Scheibe 30, gegebenenfalls eine durch Unterteilung der Scheibe 30 erhaltene kleinere Scheibe, in der Hülle der herzustellenden Elektronenröhre montiert und mit Kontakten versehen. Dies ist in Fig. 10 schematisch dargestellt. Die Hülle ist durch die unterbrochene Linie 40 dargestellt. Die Scheibe 30 wird z.B. durch Löten mit Gold-Zinn-Lot (etwa 10 Gewichtsprozent Zinn) auf einer vergoldeten Molybdänplatte 37 befestigt. Die Platte 37 wird z. B. von einem Träger 38 unterstützt, der durch die Hülle 40, die z.B. aus Metall, aber auch aus Glas bestehen kann, isoliert hindurchgeführt ist. Die Platte 37 und der Träger 38 können den elektrischen Anschluß für den n-Typ-Teil 32 bilden. Der elektrische Anschluß für das p-Typ-Raster 34 wird z. B. von einem durch die Hülle 40 isoliert durchgeführten vergoldeten Molybdändraht 41 gebildet, die mittels eines Gold-Zinn-Lots 42 (10 Gewichtsprozent Zinn) am p-Typ-Raster 34 befestigt ist.

Weitere Elektroden, wie eine Anode 43 und gegebenenfalls z. B. ein Steuergitter, können bereits in der Hülle 40 vorhanden sein.

Die Hülle 40 wird anschließend entlüftet, bis ein Gasdruck von vorzugsweise weniger als 10~⁸ mm Quecksilberdruck in der Hülle 40 erreicht ist. Dann wird die Scheibe 30, z. B. durch Induktion oder mittels eines Elektronenbombardements, einige Sekunden lang bei einer Temperatur von etwa 800° C erhitzt. Das Zink 36 diffundiert dann unter anderem über die Gasphase in die freiliegenden Oberflächenteile des n-Typ-Teiles 32 und bildet die p-Typ diffundierten Zonen 45 (Fig. 11), die eine geringere Stärke als 1 μηι und eine größere Oberflächenkonzentration als 10¹⁹ Zinkakzeptoren pro cm³ haben. Dadurch, daß die Dauer der Erhitzung sehr kurz gewählt wird, können die Zonen 45 beträchtlich dünner als 1 μηι sein. Der Halbleiterkörper 30 enthält dann einen p-Typ-Teil, der aus einer Oberflächenzone 34, 35 mit einem zusammenhängenden rasterförmigen Muster von

ίο Verdickungen 34 besteht. Diese Verdickungen 34 sichern eine gute Stromzuführung oder -abführung im Betrieb.

Es ist nicht notwendig, daß das zusammenhängende rasterförmige Muster von Verdickungen 34 (siehe Fig. 9) viereckige Maschen 35 aufweist. Die Maschen können jede beliebige Form haben und z.B. länglich oder rund sein. Auch kann das zusammenhängende rasterförmige Muster von Verdickungen 34 z.B. die Form eines Kammes haben.

Schließlich wird aus einer nicht dargestellten Quelle das Cäsium 46 durch Aufdampfen aufgebracht. Das Cäsium 46 bildet vorzugsweise höchstens eine monoatomare Schicht. Die Cäsiumquelle kann eine übliche, z. B. elektrisch heizbare Quelle sein, die innerhalb der Hülle 40 montiert ist.

Die Hülle 40 kann im entlüfteten Zustand verschlossen werden und ist dann gebrauchsfertig.

Wie bereits im Vorgehenden erklärt wurde, wird im Betrieb der p-n-Ubergang zwischen dem p-Typ-Teil 34, 35 und dem n-Typ-Teil 32 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt. Die Elektronen treten aus den mit Cäsium 46 bekleideten dünnen p-Typ-Zonen 45 aus. Der injizierende Anschluß des p-Typ-Teiles 34, 35 enthält in diesem Falle also einen mit dem p-Typ-

Teil einen p-n-Übergang bildenden n-Typ-Teil 32. Der p-Typ-Teil 34, 45 wird völlig von einer diffundierten Zone gebildet.

Naturgemäß sind zahlreiche Änderungen und Verfeinerungen des beschriebenen Verfahrens möglich.

So kann man z.B. zunächst auf die beschriebene Weise die Scheibe 30 mit dem p-Typ-Raster 34, (siehe F i g. 8 und 9) versehen, wobei das Zink 36 nicht angebracht ist. Anschließend kann man die dünnen p-Typ-Zonen 45 nach Fig. 11 dadurch bilden, daß die Scheibe 30 mit dem Raster 34 in ein Quarzrohr eingeführt wird, in dem sich eine Menge Zn₃As₂ befindet, wobei ein inertes Gas, wie z. B. Argon, einige Sekunden lang über das Zn₃As₂ und anschließend über die Scheibe 30 übergeleitet wird, wobei das Zn₃As₂ und die Scheibe 30 auf einer Temperatur von etwa 750° C erhalten werden. Die p-Typ Zonen 45 (siehe Fig. 11), mit einer Stärke von weniger als 1 μπι und einer Oberflächenkonzentration über 10¹⁹ Zinkakzeptoren pro cm³ sind dann hergestellt. Die Scheibe 30 kann schließlich in der Hülle 40 (Fig. 10 und 11) montiert und auf die bereits beschriebene Weise mit Kontakten versehen werden.

Bemerkt wird, daß während der Herstellung der Zonen 45 gleichzeitig eine dünne p-Typ-Zone an den Rändern und der Unterseite der Scheibe 30 gebildet werden kann. Dies ist aber unbedeutend, da die sehr dünne p-Typ-Zone an der Unterseite der Scheibe 30 bei der Befestigung an der Platte 37 durch das verwendete Lot gelöst und/oder umdotiert wird. Eine dünne p-Typ-Zone am Rand der Scheibe 30 ist nicht störend. Im übrigen kann die dünne p-Typ-Zone an dem Rand und der Unterseite der Scheibe 30 gewünschtenfalls vor dem Montieren in der Hülle 40

auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise entfernt werden, z. B. durch Schleifen und/oder Ätzen. Auch beim vorgehenden Verfahren kann an den Rändern der Scheibe 30 eine dünne p-Typ-Schicht entstehen, die aber nicht störend ist.

Ist die Scheibe 30 mit dem Raster 34 und den Zonen 45 in der Hülle 40 montiert und mit Kontakten versehen, so wird die p-Typ-Oberfläche, z.B. durch Sprühen, gereinigt. Dazu wird in die Hülle 40 eine Edelgasatmosphäre, z. B. eine Argonatmosphäre von etwa 0,1 mm Quecksilberdruck eingeführt, worauf zwischen einer weiteren in der Hülle vorhandenen Elektrode, z.B. der Anode 43, und dem p-Typ-Teil 34, 45 ein Spannungsunterschied angelegt wird, wobei der p-Typ-Teil negativ gegenüber der weiteren Elektrode vorgespannt ist. Der Spannungsunterschied zwischen der weiteren Elektrode und dem p-Typ-Teil 34, 45 wird so groß gewählt, daß die Oberfläche des p-Typ-Teiles 34, 45 durch kathodisches Sprühen gereinigt wird. Beträgt der Abstand zwischen der weiteren Elektrode und dem p-Typ-Teil 34, 45 etwa 1 cm, so kann der Spannungsunterschied z.B. etwa 1300 Volt betragen.

Die weitere Elektrode kann eine besonders zum Sprühen montierte Elektrode sein, und es können Vorkehrungen getroffen sein, diese Elektrode unter Aufrechterhaltung des niedrigen Gasdrucks in der Hülle 40 aus dieser Hülle zu entfernen.

Ist die Oberfläche des p-Typ-Teiles 34, 45 gereinigt, so wird der Gasdruck in der Hülle auf wenigstens 10~⁸ mm Quecksilberdruck herabgesetzt, worauf das Cäsium 46 wie beim vorliegenden Verfahren aufgebracht wird.

Aus den beschriebenen Verfahren, bei denen die dünnen p-Typ-Zonen 45 in der Hülle 40 unter Hochvakuum angebracht oder durch Sprühen gereinigt werden (beides ist naturgemäß auch möglich), bevor das Cäsium 46 aufgebracht wird, ist es einleuchtend, daß es sehr wichtig ist, daß das Cäsium auf eine sehr reine Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht wird.

Es wird nunmehr ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenröhre beschrieben, die eine Kathode mit einem Halbleiterkörper mit einem n-Typ-Teil und einem p-Typ-Teil enthält, wobei der p-Typ-Teil eine kleinere Breite des verbotenen Energiebandes hat als der n-Typ-Teil. Beim zu besprechenden Beispiel besteht der n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und der p-Typ-Teil aus Galliumarsenid. Die Breite des verbotenen Bandes beträgt etwa 2,3 eV, bzw. 1,4 eV. Die Abmessungen der Kathode sind die gleichen wie bei den vorgehenden Verfahren.

Es wird von einer Scheibe 30 (F i g. 6) aus n-Typ Galliumphosphid mit einer Konzentration von etwa 10¹⁸ Donatoren pro cm³ ausgegangen.

Eine p-Typ-Schicht 31 mit einer Stärke von etwa 10 μτη und einer Oberflächenkonzentration von etwa 5 X 10¹⁹ Zinkakzeptoren pro cm³ wird wieder durch Diffusion von Zink hergestellt. Die Scheibe 30 wird dazu etwa eine halbe Stunde lang zusammen mit einer Zinkmenge in einer entlüfteten Quarzampulle auf einer Temperatur von etwa 900° C erhalten.

Die Zinkschicht 33 wird in diesem Falle nicht aufgebracht. Dagegen werden Teile von der Schicht 31 entfernt, wodurch der p-Typ-Raster 34 mit den Maschen 35 (Fig. 8 und 9) erzielt wird, wie bei den vorgehenden Verfahren.

Anschließend wird die Scheibe 30 in der Hülle 40 (Fig. 10) montiert und mit Kontakten versehen und die Hülle auf Hochvakuum (Gasdruck weniger als 10"⁸ mm Quecksilberdruck) gebracht.
Im Innern der Hülle 40 ist ein nicht dargestelltes, elektrisch heizbares Heizelement, auf das p-Typ-Galliumarsenid aufgebracht ist, montiert. Das p-Typ-Galliumarsenid wird etwa 15 Minuten lang auf einer Temperatur von 730° C und die Scheibe 30 z. B. durch Induktion oder Elektronenbombardement auf einer

ίο Temperatur von etwa 650° C gehalten. Auf der Scheibe 30 wird dann eine epitaxial angewachsene p-Typ-Galliumarsenidschicht mit einer Dicke von weniger als 1 μπι gebildet. Dadurch, daß die Konzentration an Akzeptoren, z. B. Zink, im Ausgangsmaterial hoch genug gewählt wird, kann in der epitaxial angewachsenen dünnen Schicht eine Akzeptorenkonzentration über 10¹⁹ Akzeptoren pro cm³ erzielt werden. Anschließend kann auf die bereits beschriebene Weise Cäsium aufgedampft werden. Deutlichkeitshalber ist die nach diesem Verfahren hergestellte mit Cäsium bekleidete Scheibe 30 in F i g. 12 noch einmal getrennt dargestellt. Der p-Typ-Teil der Scheibe 30 besteht aus dem p-Typ-Raster 34 aus Galliumphosphid und der p-Typ epitaxialen Schicht 48 aus Galliumarsenid. Der p-Typ-Teil wird hier also teilweise von einer epitaxial angewachsenen Halbleiterschicht, nämlich der Schicht 48, gebildet.

Auch bei letzteren Verfahren sind naturgemäß viele Varianten und Verfeinerungen möglich. So kann z. B.

nach dem Montieren und Kontaktieren der mit dem p-Typ-Galliumphosphidraster 34 versehenen Galliumphosphidscheibe 30, in der Hülle 40, zur Erzielung der epitaxial angewachsenen p-Typ-Galliumarsenidschicht 48, diese Scheibe erhitzt werden unter Aufrechterhaltung einer Arsen und Zink enthaltenden Atmosphäre in der Hülle. In einer dünnen Oberflächenschicht wird dann das Galliumphosphid unter Abgabe von Phosphor an die Atmosphäre in der Hülle 40 in Galliumarsenid umgesetzt, das infolge des vorhandenen Zinks p-Typ-Leitung aufweisen wird.

Weiterhin ist es möglich, die epitaxial angewachsene Galliumarsenidschicht 48 vor dem Montieren der Scheibe 30 in der Hülle 40 dadurch aufzubringen, daß man z.B. auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise Galliumarsenid in der Dampfphase auf der Scheibe 30 anwachsen läßt. Nach Montage und Kontaktierung der Scheibe 30 in der Hülle 40 und vor dem Aufbringen des Cäsiums 46 kann die Oberfläche der Schicht 48 dann mit Hilfe des bereits besprochenen kathodischen Sprühens gereinigt werden.

Man kann auch eine Kathode mit einem völlig aus Galliumphosphid bestehenden Halbleiterkörper verwenden. In diesem Falle ist als die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzender Belag das Erdalkalimetall Barium verwendbar. Die Elektronen-Austrittsarbeit eines aufgebrachten Belags aus Barium beträgt weniger als die Breite des verbotenen Energiebandes von Galliumphosphid.

Zunächst wird wieder eine Galliumphosphidscheibe 30 (Fig. 8) mit einem n-Typ-Teil 32 und einem p-Typ-Galliumphosphidraster 34 hergestellt, wie bei den vorgehenden Verfahren besprochen wurde. Das Zink 35 wird nicht aufgebracht. Anschließend wird in einer verschlossenen entlüfteten Quarzampulle die Scheibe 30 zusammen mit einer Zinkmenge einige Sekunden lang auf einer Temperatur von etwa 900° C erhalten. Nach Entfernung aus der Ampulle hat die Scheibe 30 eine Konfiguration nach Fig. 11.

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Durch Diffusion von Zink sind die p-Typ-Zonen 45 entstanden. Die Zonen 45 sind weniger als 1 μνη dick und haben eine Oberflächenkonzentration von etwa 4 X 10¹⁹ Zinkakzeptoren pro cm³.

Die Scheibe 30 wird dann in der Hülle 40 montiert und kontaktiert, worauf die Oberfläche des p-Typ-Teiles 34,35 mittels des bereits beschriebenen kathodischen Sprühens gereinigt wird. Anschließend kann Barium 46 aus einer nicht dargestellten Quelle niedergeschlagen werden.

Statt Zink als Akzeptor für den p-Typ-Teil ist auch Kupfer verwendbar, welches bei 500 bis 600° C in Galliumphosphid eindiffundiert werden kann. Kupfer bietet den Vorteil, daß es in Galliumphosphid einen Akzeptorpegel mit einem Abstand zum Valenzband von 0,5 eV verursacht.

Akzeptoren, die einen solchen »tiefliegenden« Akzeptor verursachen, haben gegenüber Akzeptoren, die einen nahe am Valenzband liegenden Akzeptorpegel verursachen, den Vorteil, daß sie zu einem kleineren Teil ionisiert sind, so daß eine kleinere Konzentration an freien Löchern im Valenzband auftritt, was der Injektion von Elektronen zuträglich ist. In diesem Zusammenhang kann unter einem »tiefliegenden« Akzeptorpegel ein wenigstens in einem Abstand von 0,3 eV vom Valenzband liegender Akzeptorpegel verstanden werden. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise 0,4 eV. Der Fermi-Pegel wird im allgemeinen bei Anwendung von Akzeptoren mit einem »tiefliegenden« Akzeptorpegel etwas weiter vom Valenzband liegen als bei Anwendung von Akzeptoren mit einem nahe am Valenzband liegenden Akzeptorpegel, wodurch im Falle von »tiefliegenden« Akzeptorpegeln im allgemeinen ein Halbleiter mit einer etwas größeren Breite des verbotenen Energiebandes notwendig ist, um die Beziehung nach der Erfindung » U ist praktisch gleich oder kleiner als £_F« (siehe Fi g. 2)

erfüllen zu können.

Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Varianten möglich sind. So können bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen andere Akzeptoren als Zink, z.B. Cadmium oder Mangan, benutzt werden. Auch können andere als die erwähnten Halbleitermaterialien, z. B. ein Mischkristall vom Galliumarsenid und Galliumphosphid, II-VI-Verbindungen oder Siliciumkarbid, bei einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden. Auch sind andere übliche Materialien als die erwähnten für den die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Belag verwendbar. Die Kombination des Halbleitermaterials und des Belagmaterials muß aber der besprochenen Bedingung nach der Erfindung entsprechen. Der injizierende Anschluß kann jeglicher injizierender Kontakt, z. B. ein injizierender Spitzenkontakt sein. Weiterhin kann z. B. der Halbleiterkörper der Kathode mit. einer zusätzlichen Elektrode, wie einer Steuerelektrode, die z. B. kapazitiv wirksam sein kann, versehen sein, und dieser Elektrode können z. B. Steuersignale zugeführt werden. Zur Erzielung einer sehr reinen Oberfläche, auf die der Belag aufgebracht wird, ist ein einkristalliner Halbleiterkörper verwendbar, von dem unmittelbar vor dem Aufbringen des Belags durch Spalten ein Teil entfernt wird, worauf der Belag auf eine Spaltfläche aufgebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Anordnung mit einer Kaltkathode zum Erzeugen eines freien Elektronenstromes aus einem Halbleiterkörper mit einem flächenhaften pn-Übergang, auf dessen einem Oberflächenteil ein Belag aus einem die Elektronen-Austrittsarbeit herabsetzenden Werkstoff aufgebracht ist, wobei der p-Typ-Teil mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluß ist und an den pn-Übergang eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag wenigstens auf einen Teil der Oberfläche des p-Typ-Teiles des Halbleiterkörpers aufgebracht ist, daß der Belag aus einem so ausgewählten Material und der p-Typ-Teil aus einem so ausgewählten und p-dotierten Material bestehen, daß die Elektronen-Austrittsarbeit des aufgebrachten Belags praktisch gleich oder kleiner ist als der Abstand zwischen dem Fermi-Pegel und dem Boden des Leitungsbandes im p-Typ-Teil, so daß vom injizierenden Anschluß aus in den p-Typ-Teil injizierte Elektronen über die belegte Oberfläche des p-Typ-Teiles aus der Kathode austreten können, und daß der Abstand zwischen dem Belag und dem injizierenden Übergang nur so groß ist, daß Elektronen die Oberfläche des Halbleiterkörpers erreichen können.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptorkonzentration wenigstens in der Nähe der belegten Oberfläche im p-Typ-Teil wenigstens 10¹⁸ Akzeptoren/cm³ beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptorkonzentration wenigstens in der Nähe der belegten Oberfläche im p-Typ-Teil wenigstens 10¹⁹ Akzeptoren/cm³ beträgt.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,2 eV besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial mit einer Breite des verbotenen Energiebandes über 1,3 eV beträgt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil aus einer A_mB_v-Verbindung oder einem Mischkristall solcher Verbindungen besteht.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einem Alkalimetall besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus Cäsium besteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einem Erdalkalimetall besteht.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus Barium besteht.

11. Anordnung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid besteht.

12. Anordnung nach Anspruch 6, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus Galliumphosphid besteht.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptoren im p-Typ-Teil aus Zink bestehen.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ-Teil mit Akzeptoren dotiert ist, die einen Akzeptorpegel verursachen, der in einem Abstand von mindestens 0,3 eV, vorzugsweise mindestens 0,4 eV, vom Valenzband liegt.

15. Anordnung nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptoren im p-Typ-Teil aus Kupfer bestehen.

16. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ-Teil von einer durch Diffusion eines Akzeptors erhaltenen Zone gebildet ist. ,

17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ-Teil wenigstens teilweise von einer epitaxial angewachsenen Halbleiterschicht gebildet ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des verbotenen Energiebandes des n-Typ-Teiles größer als die des p-Typ-Teiles ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der n-Typ-Teil aus Galliumphosphid und der p-Typ-Teil aus Galliumarsenid besteht.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ-Teil des Halbleiterkörpers aus einer Oberflächenzone mit einem zusammenhängenden rasterförmigen Muster von Erhöhungen besteht.