DE1764406A1 - Elektronenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle oder Kathode mit einem Halbleiterkörper.

Halbleitervorrichtungen zur Emission von Elektronen sind bekannt. Im allgemeinen wird für solche Vorrichtungen eine verhältnismäßig komplizierte Kombination aus aktiven Halbleiterzonen und Metall-Halbleiter-Grenzflächen verwendet. Bei diesen Vorrichtungen ist eine äußere Vorspannung der Elektronenquelle erforderlich, damit das Ferminiveau im Halbleitermaterial verschoben wird und den Elektronen im Halbleiterkörper eine für die Überwindung der Potentialschwelle an der Emissionsfläche ausreichende Energie erteilt wird.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Halbleiterelektronenquelle anzugeben, welche keine äußere Vorspannungsquelle erfordert .

Eine erfindungsgemäße Elektronenquelle enthält einen Körper aus vorzugsweise entartet p-leitend dotiertem Halbleitermaterial und eine dünne Schicht aus elektropositivem Werkstoff auf dem Halbleiterkörper, deren Austrittsarbeit kleLner ist als der Bandabstand des Halbleitermaterials.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle,·

Neue Unterlagen (Art. 7 SI Abe. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsfles. v. 4.9.1967)

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Pig. 2 ist eine Seitenansicht einer Elektronenquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. Ja zeigt einen Teilquerschnitt durch die Quelle nach Fig. 1 längs der Ebene 3a-3a;

Fig. 3b ist eine Darstellung verschiedener Energieniveaus zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen Photoelektronenvervielfacher (SEV), und

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dynode für den SEV nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine Elektronenquelle 10 dargestellt, die einen Körper 12 aus p-leitendem Halbleitermaterial enthält und eine Schicht 13 aus einem elektropositiven, die Austrittsarbeit herabsetzenden Stoff auf einer Oberfläche des Körpers aufweist. Das Halbleitermaterial des Körpers 10 hat vorzugsweise einen relativ großen Bandabstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband. Zu solchen Materialien zählen Galliumarsenid, Galliumphosphid und die Legierung aus Galliumphosphid und Galliumarsenid. Vorzugsweise wird Galliumarsenid gewählt, dessen Bandlücke oder Bandabstand in der Größenordnung von 1,4 eV liegt. In einigen Fällen ist jedoch Galliumphosphid zu bevorzugen, und zwar wegen dessen größeren Bandabstandes von 2,3 eV und der relativ großen Diffusionslänge für Minoritätsträger.

Die elektropositlve Schicht 13 enthält ein Alkali- oder ein Erdalkali-Metall wie Cäsium, Kalium oder Barium. Vorzugsweise wird eine extrem dünne Schicht aus Cäsium verwendet, die monomolekular sein kann oder eine Dicke hat, die nicht größer ist als wenige Atomdurchmesser des Cäsiums oder des jeweiligen elektropositiven Stoffes.

Das Halbleitermaterial ist stark mit Akzeptorverunreinigungen dotiert, so daß das sich ergebende p-leitende Material ein Ferminiveau besitzt, das ganz nahe an der oberen Grenze des Valenzbandes im Halbleiterkörper liegt. Der Dotierungspegel kann

IQ so hoch sein, beispielsweise in der Größenordnung von 10 ⁷ bis 10 Löcher/cnr für Galliumarsenid, daß das sich ergebende HaIb-

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leitermaterial entartet ist. In diesem Fall wird das Perminiveau geringfügig unterhalb der oberen Grenze des Valenzbandes liegen.

Im Betrieb werden Leitungsbandelektronen im Halbleiterkörper 12 erzeugt oder in diesen injiziert. Einige dieser injizierten Elektronen diffundieren oder gelangen auf andere Weise zur dünnen elektropositiven Schicht 13 und werden von der freiliegenden Oberfläche 14 dieser Schicht emittiert. Zwischen die Elektronenquelle 10 und eine von der Emissionsfläche 14 beabstandete Anode kann ein elektrisches Feld angelegt werden. Unter diesen Umständen werden Elektronen von der Oberfläche 14 emittiert und fliegen zur Anode, wo sie ihren Zweck erfüllen.

Die erforderlichen Leitungsbandelektronen können in die stark dotierte p-Zone mittels eines herkömmlichen pn-Überganges injiziert werden. Eine entsprechende Vorrichtung ist in dem abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellt, bei welchem eine Elektronenquelle 10' einen η-leitenden Galliumarsenidkörper 12^f und eine auf dessen Oberfläche befindliche stark dotierte p-leitende Epitaxialschicht 15 aufweist. Auf der Oberfläche der Epitaxialschicht 15 befindet sich eine elektropositive Schicht Ij'.

Der Halbleiterkörper 12' enthält eine p-leitende Zone 16, die einen elektrischen Kontakt mit der oben liegenden p-leitenden Epitaxialschicht 15 bildet. Der sich ergebende pn-übergang 18 wird mittels einer äußeren Vorspannungsquelle 17 vorgespannt, wodurch vom η-Bereich des Körpers 12' Leitungsbandelektronen in die p-leitende Epitaxialschicht 15 injiziert werden. Einige dieser injizierten Elektronen wandern zur elektropositiven Schicht 13' und werden von der freiliegenden Oberfläche 14' dieser Schicht emittiert.

Abweichend hiervon können beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Leitungsbandelektronen dadurch zur Verfügung gestellt werden, daß der Halbleiterkörper 12 erhitzt wird, um die Energie einiger der Valenzbandelektronen soweit zu erhöhen, daß diese Elektronen in das Leitungsband übertreten können.

Eine andere Möglichkeit, im Halbleiterkörper 12 Leitungsbandelektronen zu erzeugen, besteht darin, das Halbleitermaterial mit Photonen zu bestrahlen. Diese Photonen können durch auftreffende

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Strahlung, beispielsweise sichtbares oder ultraviolettes Licht, geliefert werden, wobei es in den meisten Fällen erforderlich ist, daß die Wellenlänge* der einfallenden Strahlung einer Photonenenergie entspricht, die mindestens gleich dem Bandabstand des Halbleitermaterials ist.

Leitungsbandelektronen können auch durch Sekundäremission erzeugt werden, d.h. dadurch, daß man den Halbleiterkörper 12 mit energiereichen Primärelektronen bombardiert, die im Leitungsband des Halbleiterkörpers 12 durch Stöße Sekundärelektronen erzeugen.

Die theoretische Grundlage für die Elektronenemission der Kathoden oder Elektronenquellen 10 und 10' sei anhand von Fig. 3 erläutert.

Fig. 5a zeigt einen Teil der Quelle 10 im Schnitt längs der Schnittebene j5a-3a in Fig. 1. Die bezüglich Fig. Ja ausgerichtete Fig. 3b zeigt ein Energieniveaudiagramm für die Kathode. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß der Halbleiterkörper 12 im vorliegenden Fall bis zur Entartung mit Akzeptorverunreinigungen wie z.B. Zink oder Cadmium für Galliumarsenid als Halbleitermaterial dotiert ist, so daß das Ferminiveau im Hauptteil des Halbleiterkörpers etwas unterhalb der oberen Grenze des Valenzbandes liegt. In der Praxis bewirken solche Verunreinigungskonzentrationen, daß das Ferminiveau so nahe an der oberen Grenze des Valenzbandes liegt, daß die Differenz zwischen dem Bandabstand (zwischen der oberen Grenze des Valenzbandes und der unteren Grenze des Leitungsbandes) und der Energiedifferenz ΔΕ (zwischen dem Ferminiveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes) vernachlässigbar ist.

Die elektropositive metallische Schicht 11, die im vorliegenden Fall Cäsium enthält, zwingt das Ferminiveau bis zur praktischen Übereinstimmung mit der unteren Grenze des Leitungsbandes an der Emissionsoberfläche 14. Nimmt man einmal an, daß die Quelle 10 sich im thermischen Gleichgewicht befindet und daß die Wirkung irgendeines äußeren angelegten elektrischen Feldes auf die Kombination aus dem Halbleiterkörper 12 und der elektropositlven Schicht 13 beispielsweise aufgrund Irgendeiner zwischen die Quell« 10 und eine von der Oberfläche 14 beabatandete Anode angelegten

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Potentialdifferenz vernaehlässigbar ist, wird das Perminiveau überall im Körper 12 und in der Schicht IJ> weitgehend konstant sein.

Da der Bandabstand in der ganzen Kathode praktisch konstant ist, krümmen sich die Energiebänder notwendigerweise in der unmittelbaren Nähe der Emissionsfläche 14 so, wie es in Pig. ^b dargestellt ist. Die Bandkrümmung reicht eine Strecke d, die im Vergleich mit der Gesamtdicke D des Halbleiterkörpers 12 klein ist, in diesen Körper hinein. Der tatsächliche zahlenmäßige Wert der Strecke d hängt hauptsächlich vom Bandabstand und der Verunreinigungskonzentration im Halbleiterkörper 12 ab.

Aus dem Energiediagramm ist ersichtlich, daß das Perminiveau innernalb einer sehr kleinen Strecke S von der elektropositiven Schicht 13 nach innen näher an der unteren Grenze des Leitungsbandes als an der oberen Grenze des Valenzbandes liegt, während es im Hauptteil des Halbleiterkörpers 12 umgekehrt ist. Offensichtlich besitzt somit der Hauptteil des Körpers 12 p-Leitungseigenschaften, während sich der außerordentlich dünne "Inversions"-Bereich innerhalb des sich von der Schicht I^ um die Strecke J erstreckenden Gebietes so verhält, als ob er vom n-Leitfähigkeitstyp wäre.

Die Strecke 6 oder Breite dieser Inversionsschicht ist eine

Punktion der Akzeptorverunreinigungskonzentration im Halbleiter-

20 körper 12. Wenn die Löcherdichte in der Größenordnung von 10 Löcher/cnr liegt, beträgt der Wert von S schätzungsweise weniger als 50 8.

Damit eine beträchtliche Anzahl von Elektronen im Leitungsband des Hauptteiles des Halbleiterkörpers 12 die Emissionsfläche 14 mit einer für die Emission von der Oberfläche ausreichenden Restenergie erreichen kann, ist es notwendig, daß die mittlere freie Weglänge für den Energieverlust von Elektronen größer ist als der sogenannte "kritische Abstand", d.h. der Abstand von der Emissionsfläche 14, bei welchem die untere Grenze des Leitungsbandes den Energiewert des Vakuumenergieniveaus erreicht. Bei Erfüllung dieser Bedingung kann eine große Anzahl der Elektronen ira Leitungsband des Halbleiterkörpers, die sich innerhalb des

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"kritischen Abstandes" der Emissionsfläche 14 bewegen, die Emissionsfläche erreichen, bevor sie auf einen Energiezustand abfallen, der unter der Höhe der Potentialschwelle liegt, d.h. unterhalb des Vakuumenergieniveaus an der Emissionsfläche. Diese Elektronen bleiben also so energiereich, daß sie die Potentialschwelle überwinden und von der Oberfläche 14 emittiert werden.

Wenn die elektropositive Schicht 13 auf dem Halbleiterkörper 12 eine Austrittsarbeit, gemessen bezüglich des Perminiveaus, aufweist, die geringer ist als die EnergiedifferenzΔΕ oder im vorliegenden Fall als die praktisch gleich große Bandlücke, wird das Vakuumenergieniveau an der Oberfläche 14, also die Energie, die ein Elektron für das Entweichen von der Oberfläche benötigt, unterhalb der unteren Grenze des Leitungsbandes im Halbleiterkörper 12 liegen.

Wegen dieser Höhe der Leitungsbanduntergrenze über dem Vakuumenergieniveau können die Elektronen im Leitungsband des Halbleiterkörpers 12 zur Emissionsoberfläche 14 diffundieren oder auf andere Weise gelangen und dabei an der Emissionsoberfläche eine Restenergie beibehalten, die größer ist als der Vakuumenergiepegel. Folglich ist eine Elektronenemission von der Oberfläche 14 möglich, ohne daß äußere Energie zur Überwindung der Oberflächenaustrittsarbeit erforderlich ist, und die Quelle 10 verhält sich so, als ob sie eine negative Elektronenaffinität besäße.

Für den Galliumarsenid-Cäsium-Aufbau des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung liegt der Wert der effektiven Elektronenaffinität bei 1,3 eV (der Oberflächenaustrittsarbeit für Cäsium auf Galliumarsenid) abzüglich 1,4 eV (dem Bandlückenwert für Galliumarsenid), er beträgt also ungefähr -0,1 eV.

Wenn die Parameter der Vorrichtung einem "kritischen Abstand" von mindestens der Größenordnung der mittleren freien Weglänge für den Energieverlust von Elektronen im Halbleiterkörper 12 entsprechen, werden noch einige Elektronen im Leitungsband des Hauptteiles des Halbleiterkörpers die Emissionsoberfläche 14 mit einer zur Emission ausreichenden Restenergie erreichen. Der Emissionswirkungsgrad der Elektronenquelle 10 wird jedoch beträchtlich herabgesetzt.

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Die Verwendung eines Halbleitermaterials mit einem Bandabstand in der Größenordnung der Austrittsarbeit der Emissionsfläche 14 wird zu einer effektiven Elektronenaffinität führen, die ungefähr Null beträgt. Um es zu wiederholen: Einige Elektronen werden stets von der Oberfläche 14 emittiert werden, aber bei einer stark verminderten Wirksamkeit der Quelle 10. Umgekehrt werden Halbleitermaterialien mit einem größeren Bandabstand als dem von Galliumarsenid eine größere (negative) effektive Elektronenaffinität und folglich eine größere Wirksamkeit ergeben, solange nicht die entsprechende mittlere freie Weglänge in Bezug auf den "kritischen Abstand" abnimmt.

Bevor sie von der Oberfläche 14 emittiert werden, befinden sich die Elektronen im Hauptteil des Halbleiterkörpers im quasithermischen Gleichgewicht mit dem Halbleitermaterial. D.h., daß sich die Elektronen in energiearmen Leitungsbandzuständen befinden und zwar mit einer statistischen Verteilung, die der Temperatur des Halbleiterkristallgitters entspricht. Da die Gittertemperatur verhältnismäßig niedrig sein kann, ist die Energieverteilung der emittierten Elektronen schmal, was wegen der geringen Energiedifferenzen zwischen den emittierten Elektronen zu einem sehr niedrigen Rauschbeitrag führt. Eine solche Vorrichtung eignet sich ideal für die Verwendung in Elektroneneinrichtungen, bei denen sehr niedrige Störpegel verlangt werden.

Zur Herstellung der Elektronenquelle 10 gemäß Fig. 1 kann man zuerst eine Oberfläche einer beispielsweise mit Zink als Akzeptorverunreinigung entartet dotierten p-leitenden Galliumarsenidscheibe zur Reinigung mit Dampf ätzen. Diese Dampfätzung kann beispielsweise unter Verwendung von Wasserdampf in Wasserstoff als Trägergas bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden.

Nach der Dampfätzung wird die Galliumarsenidscheibe im Vakuum erhitzt, damit Oberflächenverunreinigungen herausdiffundieren. Anschließend wird ein elektropositiver Stoff wie z.B. Cäsium auf die gereinigte Oberfläche der Halbleiterscheibe aufgedampft. Dies kann unter Verwendung eines Cäsium enthaltenden Gefäßes geschehen, das eine auf die Scheibe gerichtete schmale öffnung besitzt. Das Gefäß wird bis zur Verdampfung des Cäsiums erhitzt, so daß ein Strahl von Cäsiumdampf auf die saubere Schei-

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benoberfläche geleitet wird. Vorzugsweise wird eine dünne Schicht aufgebracht, deren Dicke höchstens in der Größenordnung einiger weniger Atomdurchfflesser des elektropositiven Stoffes (Cäsium) liegt.

Die optimale Dicke der elektropositiven Schicht kann dadurch bestimmt werden, daß man die Photoelektronen mißt, die von der Scheibe während des Aufbringens des Cäsiums emittiert werden. Zu diesem Zweck wird Licht geeigneter Wellenlänge auf die mit Cäsium beschichtete Oberfläche gerichtet, während das Cäsium aufgedampft wird. Die durch das einfallende Licht angeregten und von der Cäsiumoberfläche emittierten Elektronen werden mittels einer positiv vorgespannten Anode, die im Abstand von der Emissionsoberfläche angeordnet ist, gesammelt und mit einem geeigneten Mikroamperemeter gemessen. Wenn der Elektronenemissionsstrom einen Maximalwert erreicht und abzusinken beginnt, ist die optimale Dicke der Cäsiumschicht erreicht, und das Aufdampfen wird beendet.

Die abgewandelte Elektronenquelle 10^f gemäß Fig. 2 kann dadurch hergestellt werden, daß man in die η-leitende Halbleiterscheibe eine p-Zone 16 so eindiffundiert, daß der sich ergebende pn-übergang bis zur Scheibenoberfläche reicht. Dann wird auf die Scheibenoberfläche, zu der sich der pn-übergang erstreckt, eine Epitaxialschicht 15 aufgebracht. Diese Epitaxialschicht, die mit der unten liegenden Halbleiterscheibe den pn-übergang 18 bildet, kann p-leitendes Galliumarsenid enthalten, das bis zur Entartung

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bis zu einer Verunreinigungskonzentration, die ungefähr 10 Löcher/cm^ entspricht, dotiert ist. Die Dicke der Epitaxialschicht liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1000 S, ist also kleiner als die Diffusionslänge für Elektronen im Epitaxialschichtmaterial.

Eine elektropositive Schicht 13^! aus Cäsium, deren Dicke höchstens in der Größenordnung weniger Atomdurchmesser liegt, wird dann unter Anwendung der oben erwähnten Aufdampftechnik auf der Epitaxialschicht 15 niedergeschlagen.

Elektrische Kontakte für den Halbleiterkörper 12 der Elektronenquelle 10 bzw. für die p- und n-Bereiche 16 und 12¹ der Quelle

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10' können dadurch gebildet werden, daß man Gold in die p-Berelehe 12 und 16 und Zinn in den n-Bereich 12* einlegiert.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden eine Sekundäremissionsvorrichtung vom Transmissionstyp besehrieben werden, die erstens eine Quelle für Primärelektronen enthält, welche auf eine Hauptfläche einer Sekundäremissionsdynode aus Halbleitermaterial aufprallen, wodurch Sekundärelektronen entstehen, welche von der entgegengesetzten Hauptfläche der Dynode emittiert werden, und die zweitens eine Einrichtung zur Nutzbarmachung der emittierten Sekundärelektronen aufweist. In dieser Vorrichtung enthält die Dynode eine stark angereicherte dünne Schicht aus p-leitendem Halbleitermaterial und eine auf der Oberfläche des Halbleiters aufgebrachte dünne Schicht aus einem elektropositiven, die Austrittsarbeit reduzierenden Stoff, von wo die Sekundärelektronen emittiert werden. Der Bandabstand des Halbleitermaterials, die Austrittsarbeit bei der Oberfläche der elektropositiven Schicht und die Akzeptorverunreinigungskonzentration im Hauptteil des Halbleiterkörpers sind so gewählt, daß die untere Grenze des Leitungsbandes im Halbleiterhauptteil auf einem Energieniveau oberhalb des Vakuumenergieniveaus bei der freiliegenden Oberfläche der elektropositiven Schicht liegt« Die Dicke der dünnen Halbleiterschicht wird so groß gewählt, daß die auftreffenden Primärelektronen absorbiert werden, aber nicht größer als ein kleines Vielfaches der Diffusionslänge für Elektronen im Halbleiternauptkörper, so daß die Sekundärelektronen zur freiliegenden Oberfläche der elektropositiven Schicht diffundieren können und von dort emittiert werden.

In Fig. 4 ist als Anwendungsbeispiel der Erfindung ein Elektronenvervielfacher dargestellt. Der Vervielfacher 1 ist zylindrisch geformt und besitzt einen lichtundurchlässigen äußeren isolierenden Kolben 2, der aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann. An gegenüberliegenden Enden des Kolbens befinden sich transparente Endplatten 3 und 4, beispielsweise aus Glas. Der Vervielfacher 1 kann als Bild- oder Lichtverstärker oder auch als einfacher Photoelektronenvervielfacher dienen. Die auftreffende Strahlung, die aus sichtbarem, infrarotem oder ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlung bestehen kann, fällt durch die End-

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platte 3* die selbstverständlich so ausgebildet sein muß, daß sie die einfallende Strahlung durchläßt und durch eine transparente leitende Schicht 5 auf die Photoemissionsschicht 6.

Wenn die auftreffende Strahlung ein Lichtbild ist, kann die leitende Schicht 5 beispielsweise Zinkoxid enthalten, das für sichtbares Licht praktisch durchlässig ist. Die Photoemissionsschicht 6 kann in diesem Fall einen der bekannten Stoffe enthalten, der Elektronen emittiert, wenn er der Bestrahlung durch sichtbares Licht ausgesetzt ist, beispielsweise Cäsiuraantiinon. Entsprechend der auftreffenden Strahlung werden von der freiliegenden Oberfläche 7 der Photokathode bzw. Schicht 6 Elektronen emittiert, die ein Elektronenbild bilden, das dem zu verstärkenden Lichtbild entspricht. Durch eine an einem Widerstand R, abfallende Spannung V₁, die durch einen aus einer Spannungsquelle E, und Widerständen R, bis Rg bestehenden Spannungsteiler geliefert wird, werden die emittierten Elektronen beschleunigt, worauf sie auf die Oberfläche 8 der Sekundäremissionsdynode 9 aufprallen. Diese auftreffenden Primärelektronen, die aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen der Dynode 9 und der transparenten leitenden Schicht 5 eine relativ große kinetische Energie haben, werden durch die Halbleiterschicht 10 der Dynode 9 absorbiert, so daß jedes auftreffende Primärelektron im Hauptteil der Halbleiterschicht 10 eine verhältnismäßig große Anzahl von Sekundärelektronen erzeugt. Ein relativ großer Anteil dieser Sekundärelektronen diffundiert zur Schicht 11 niedriger Austrittsarbeit und wird von deren freiliegender Oberfläche 12 emittiert.

Der hohe Wirkungsgrad der beschriebenen Dynodenanordnung, d.h. das Verhältnis der Anzahl der von der Schicht 11 emittierten Sekundärelektronen zur Gesamtzahl der im Hauptteil der Schicht erzeugten Sekundärelektronen, ist der Tatsache zuzuschreiben, daß Leitungsbandelektronen mit thermischer Energie im Hauptteil der Schicht 10 relativ weite Strecken zurücklegen können und so von der freiliegenden Oberfläche der Schicht 11 emittiert werden.

Wegen des verbesserten Wirkungsgrades und der höheren Verstärkung der vorliegenden Dynodenanordnung werden statistische Schwankungen der Anzahl der (bei konstantem Primärelektrodenstrom) emittierten Sekundärelektronen auf ein Minimum herabge-

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setzt, was zu einem guten Signal-Stör-Verhältnis führt.

Die von der Oberfläche 12 der Dynode 9 emittierten Sekundärelektronen werden durch eine Potentialdifferenz Vp, die an Widerständen R₂ und R abfällt, beschleunigt und prallen auf die Oberfläche 8* einer nächstfolgenden Dynode 9¹ auf, wo sich der beschriebene Vorgang wiederholt und zusätzliche Sekundärelektronen von der freiliegenden Oberfläche 12* einer wiederum eine niedrige Austrittsarbeit aufweisenden Schicht 11* emittiert werden. Im weiteren Verlauf werden dann in ähnlicher Weise von der Oberfläche 12* emittierte Elektronen durch eine Potentialdifferenz V-. an Widerständen R₁, und R^ beschleunigt, und diese Elektronen prallen auf die Oberfläche 8" einer Dynode 9" und verursachen die Emission weiterer Sekundärelektronen von der freiliegenden Oberfläche 12" der Schicht 11" niedriger Austrittsarbeit.

Das resultierende verstärkte Elektronenbild aus den von der Oberfläche 12" emittierten Sekundärelektronen wird durch einen Leuchtschirm 13 in sichtbares Licht umgewandelt, der einen elektronenempfindlichen Leuchtstoff wie z.B. Zinksulfid enthalten kann. Die von der Oberfläche 12" emittierten Elektronen werden mittels einer Potentialdifferenz V₂, zwischen der Dynode 9^W und einer auf die Oberfläche des Schirmes 15 aufgebrachten dünnen, für Elektronen durchlässigen Aluminiumschicht 14 zum Schirm 15 beschleunigt.

Die Spannungsquelle E₁ kann z.B. eine Spannung in der Größenordnung von 10 kV liefern, während die Spannungen V₁, V„ und V-, Werte von etwa 2 kV aufweisen können. Die Beschleunigungsspannung V₁, des Leuchtschirmes kann größenordnungsmäßig 4 kV betragen. Diese Werte hängen selbstverständlich von den Parametern der jeweiligen Vorrichtung ab.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, die Beschleunigung der Elektronen zwischen den verschiedenen Dynoden zu beeinflussen oder gleichmäßiger zu steuern, und zwar mittels Steuergittern 15 und 16. Wenn es notwendig oder wünschenswert ist, können die Elektronen im Vervielfacher 1 mittels eines zur Achse des zylindrischen Kolbens 2 parallelen Magnetfeldes fokussiert werden.

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Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht (nicht maßstabsgerecht) der Dynode 9 nach Fig. 4. Die Dynode 9 enthält einen Stützring 17 aus p-leitendem monokristallinen Galliumarsenid mit relativ niedrigem spezifischen Widerstand. Auf dem Stützring 17 befindet sich eine monokristalline, epitaxial aufgewachsene Schicht 10 aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandlücke wie z.B. Galliumphosphid. Der Stützring 17 kann typisch eine Dicke χ in der Größenordnung von 127 /um haben, während die Dicke der epitaxialen Halbleiterschicht 10 etwa 2000 8 betragen kann.

Auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht 10 ist eine monomolekulare Schicht 11 aus einem elektropositiven, die Austrittsarbeit herabsetzenden Stoff wie z.B. Cäsium aufgebracht. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Schicht 11 monomolekular ist, doch sollte ihre Dicke vorzugsweise nicht größer als wenige Atomdurchmesser des elektropoiitiven Stoffes sein.

Auf der oberen Oberfläche des Ringes 17 befindet sich eine leitende Schicht 18, die einen Akzeptorstoff wie z.B. Indium enthält und einen 0hm¹sehen Kontakt mit dem p-leitenden Halbleitermaterial des Ringes 17 bildet. Die Indiumschicht 18 ist vorzugsweise an den benachbarten Galliumarsenidring 17 anlegiert.

Für den Stützring 17 wurde monokristallines Galliumarsenid nur deshalb gewählt, um das Aufwachsen der Epitaxialschicht 10 zu erleichtern, da es außerordentlich schwierig ist, eine Epitaxialschicht auf einer nicht monokristallinen Unterlage zu züchten.

Vorzugsweise wird zwar eine Halbleiterschicht 10 aus monokristallinem Material verwendet, doch kann dieser Film auch ein polykristallines Halbleitermaterial enthalten, wenn der Korndurchmesser des polykristallinen Materials gröüenordnungsmäßig gleich der Dicke der Halbleiterschicht ist. Bei Verwendung von polykristallinem Material kann der Stützring 17 aus Metall oder einem anderen leitenden Werkstoff bestehen.

Ein elektrischer Kontakt für die Dynode 9 kann dadurch hergestellt werden, daß man an die Indiumschicht 18 eine Anschlußleitung anlötet oder auf andere Weise befestigt. Die Anschlußleitung kann auch dazu dienen, die Dynode mechanisch Im Kolben 2

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zu haltern.

Die Halbleiterschicht 10 sollte p-leitendes Material enthalten, das so stark mit Akzeptorverunreinigungen dotiert ist daß sich eine Löcherkonzentration von größenordnungsmäßig 10

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bis 10 /cm ergibt. Vorzugsweise wird als Akzeptorstoff Beryllium verwendet, es können jedoch auch andere Akzeptoren wie z.B. Zink oder Magnesium verwendet werden.

Die Herstellung der Dynode 9 beginnt man damit, daß man eine etwa 2000 S dicke monokristalline Schicht 10 aus Galliumphosphid epitaktisch auf eine monokristalline Scheibe aus p-leitendem Galliumarsenid mit relativ niedrigem spezifischen Widerstand, etwa zwischen 0,01 und 1 Ohmzentimeter aufwachsen läßt Die Epitaxialschicht wird durch eine Dampfphasenreaktion von Galliumhypochlorid und Phosphin gemäß Gleichung 1 erzeugt. Als Trägergas für die Reaktionspartner verwendet man Wasserstoff.

GaCl + PH-, » GaP + HCl + H^ (l)

Den Reaktionspartnern wird eine kleine Menge Berylliumchlorid (BeCIp) beigemischt, wodurch eine Akzeptordotierung der Epitaxialschicht 10 erreicht wird. Die Berylliumchloridkonzentration wird so gewählt, daß die resultierende Löcherkonzentration in der Schicht 10 in der Größenordnung von 10 bis 10 ^/cxt? liegt.

Nach einer Reinigung der freiliegenden Oberflächen des Galliumarsenid-Galliumphosphid-Plättchens wird auf die freiliegende Fläche der Galliumphosphidschicht 10 und auf einen ringförmigen Umfangsteil der freiliegenden Fläche der Galliumarsenidscheibe ein Abdeckmaterial aufgebracht. Das Plättchen wird dann in die folgende Atzlösung eingetaucht:

5 Volumenteile konzentrierte Schwefelsäure

1 Volumenteil einer j30#igen Lösung (volumetrisch) von Wasserstoffperoxid in Wasser

1 Volumenteil Wasser

Diese Lösung ätzt schnell den freiliegenden Mittelbereich der Galliumarsenidscheibe. Da die Galliumphosphidschicht 10 gegen diese Ätzlösung verhältnismäßig unempfindlich 1st, hört die Atzung auf, wenn der Mittelteil der Oalliumarsenidscheibe entfernt worden ^lst* 209813/1376

Nachdem das Abdeckmaterial entfernt und das geätzte Plättchen gewaschen worden ist, wird die Schicht 18 in Gestalt eines Ringes aus Indium auf die freiliegende Fläche des übrig gebliebenen Galliumarsenidringes 17 gelegt und an diese anlegiert.

Als nächstes wird eine Oberfläche der Galliumphosphidschicht 10 sorgfältig gereinigt und erwärmt, um unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen, und auf diese gereinigte Oberfläche wird sodann die monomolekulare Schicht 11 aus Cäsium aufgedampft. Die sich ergebende Anordnung ist in Pig. 5 dargestellt.

Bei Beschüß der Galliumphosphidschicht 10 mit 2-keV-Elektronen ergab sich ein Sekundäremissionsverhältnis von etwa 100:1. Dies bedeutet, daß für jedes Primärelektron, das auf die Oberfläche 8 der Schicht 10 auftrifft, durchschnittlich 100 oder mehr Sekundärelektronen von der entgegengesetzten Fläche 12 niedriger Austrittsarbeit emittiert werden.

Da die Schicht 10 einen monokristallinen Stoff enthält (oder einen polykristallinen Stoff mit geeigneter Korngröße), können Elektronen im Leitungsband des Halbleitermaterials relativ große Strecken zurücklegen, bevor sie mit Löchern im Material rekombinieren . Die durchschnittliche Strecke, die ein Elektron in der Schicht 10 vor der Rekombination zurücklegt, ist die Diffusionslänge L_n, die definiert ist als

-η ν V" <²>

wobei bedeuten:

D = Diffusionskonstante für Elektronen η

T = Lebensdauer der Elektronen
η

Die Diffusionskonstante D_n läßt sich aus der folgenden Einstein-Gleichung herleiten:

u = -S D
/ η kT η

/U = Elektronenbeweglichkeit

e = Elektronenladung

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k = Boltzmannkonstante
T - absolute Temperatur

Durch Kombination der Gleichungen 2 und 3 ergibt sich

Die epitaxiale Sekundäremissions-Halbleiterschicht 10 soll so dick sein, daß praktisch alle auftreffenden Primärelektronen absorbiert werden und andererseits so dünn, daß die erzeugten Sekundärelektronen durch die Halbleiterschicht diffundieren, die elektropositive Schicht 11 erreichen und von deren Oberfläche emittiert werden können. Die Dicke der Schicht 10 sollte nicht größer sein als ein kleines Vielfaches der oben definierten Diffusionslänge L , gewöhnlich sollten sie höchstens dreimal so groß sein. Vorzugsweise sollte die Dicke der Schicht 10 in der Größenordnung der Diffusionslänge liegen, vorausgesetzt, daß dadurch nicht die Bedingung beeinträchtigt wird, daß die Schicht eine für die Absorption praktisch aller auftreffender Primärelektronen genügende Dicke aufweisen soll. Für den 2000 8 dicken GalliumphosphidfiIm des vorliegenden Ausführungsbeispiels liegt die Diffusionslänge L_n etwa zwischen 2000 und 30OO 8 bei Raumtemperatur ,

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Claims (25)

Patentansprüche

1.) Elektronenquelle mit einem Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem p-leitenden Halbleiterkörper eine dünne Schicht aus elektropositivem Werkstoff befindet, deren Austrittsarbeit kleiner ist als der Bandabstand des Halbleitermaterials.

2.) Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper, der zwischen beabstandeten Valenz- und Leitungsbändern einen bestimmten Bandabstand besitzt, bei Fehlen eines äußeren Potentials ein im wesentlichen gleichmäßiges Ferminiveau aufweist, das um eine spezielle Energiedifferenz unterhalb der unteren Grenze des Leitungsbandes liegt; daß die freiliegende Oberfläche der auf einer bestimmten Fläche des Halbleiterkörpers befindlichen Schicht, die einen die Austrittsarbeit herabsetzenden elektropositiven Stoff enthält, eine Potentialschwelle bestimmter Höhe oberhalb des Ferminiveaus für die die Schicht in Richtung zur freiliegenden Oberfläche durchquerenden Elektronen bildet; daß die spezielle Energiedifferenz mindestens gleich der Höhe dieser Potentialschwelle ist, so daß bei Fehlen eines von außen angelegten Potentials die untere Grenze des Leitungsbandes auf festem Energieniveau oberhalb der oberen Grenze der Schwelle liegt, und zwar in Teilen des Halbleiterkörpers, die um eine festgelegte Strecke von der bestimmten Fläche entfernt ist; daß der Halbleiterkörper eine mittlere freie Weglänge für Energieverluste von Elektronen im Leitungsband aufweist, die wesentlich größer als die festgelegte Strecke ist, so daß ein wesentlicher Anteil der anfänglich im Leitungsband des Halbleiterteils befindlichen Elektronen zu der Schicht wandern kann und dabei genügend energiereich bleibt, um die Schwelle zu überwinden und von der freiliegenden Oberfläche emittiert zu werden.

3.) Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine bestimmte Uberschußkonzentration von Akzeptorverunreinigunpen besitzt; daß die Energiedifferenz zwischen dem Ferminiveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes mindestens etwa gleich dem

Neue Unterlagen ('.·ι /11 Abs. 2 Nr. 1 satz 3 des Änderunosoos. v. 4.9.1957) ^BA£> ORIGINAL

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Bandabstand 1st; und daß der Bandabstand mindestens gleich der Höhe der Potentialschwelle ist.

4.) Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial weitgehend entartet ist.

5.) Elektronenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher Elektronen in das Leitungsband des Halbleiterkörpers injizierbar sind.

6.) Elektronenquelle nach Anspruch 3# dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zur Einführung von Elektronen in das Leitungsband des Halbleiterkörpers aufweist.

7.) Elektronenquelle nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Bombardierung des Körpers mit Primärelektronen und zur Erzeugung von oekundärelektronen im Leitungsband des Körpers vorgesehen ist,

3.) Elektronenquelle nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid-Galliumphosphid besteht.

9.) Elektronenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überschuß-Konzentration von Akzeptorverunreinigungen zur Bildung einer Löcherdichte in der Größenordnung von 10 ■* bis 10 /enr ausreicht.

10.) Elektronenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Injiziervorrichtung eine Halbleiterzone aufweist, die an den Halbleiterkörper angrenzt und von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist, daß der Körper und die Zone zwischen sich einen pn-übergang bilden, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch welche dieser Übergang in Durchlaßrichtung vorspannbar ist.

11.) Elektronenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone eine p-leitende Epitaxialschient aufweist.

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12.) Elektronenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der Zone Galliumarsenid ist und daß die Dicke der Epitaxialschicht in der Größenordnung von 1000 8 liegt.

13.) Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleiterkörpers eine solche Netto-Überschußkonzentratlon von Akzeptorverunreinigungen aufweist, daß das Ferminiveau im Material relativ nahe am höchsten Energieniveau des Valenzbandes und relativ weit entfernt vom untersten Energieniveau des Leitungsbandes liegt; daß die Dicke der Schicht einen Wert, der in der Größenordnung weniger Atomdurchmesser des elektropositiven Stoffes liegt, nicht übersteigt; daß die elektropositive Schicht die Austrittsarbeit der Oberfläche soweit herabsetzt, daß das Vakuumenergieniveau der Oberfläche unterhalb des niedrigsten Energieniveaus des Leitungsbandes im Hauptteil des Halbleiterkörpers liegt; und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher im Häuptteil Elektronen zur Verfügung stehen, die solche Energiepegel im Leitungsband des Halbleitermaterials einnehmen, daß die Elektronen mit einer für eine Emission von der freiliegenden Oberfläche ausreichenden Restenergie zur elektropositiven Schicht di ffundieren.

14.) Elektronenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsarbeit der elektropositiven Schicht auf dem stark angereicherten Halbleiterkörper bezüglich des Ferminiveaus kleiner ist als die bestimmte Energiedifferenz zwischen dem Ferminiveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes.

15.) Elektronenquelle nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Lieferung der Leitungsbandelektronen.

16.) Elektronenquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht höchstens so groß ist wie wenige Atomdurchmesser des elektropositiven Stoffes.

17.) Sekundäremissionsquelle, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Quelle

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für freie Elektronen aufweist; daß mindestens eine Dynode mit einem Film aus Halbleitermaterial vorgesehen ist, zwischen dessen beabstandeten Valenz- und Leitungsbändern ein bestimmter Bandabstand herrscht und daß eine solche Nettoiiberschußkonzentration von Akzeptorverunreinigungen besitzt, daß das Ferminiveau im Material relativ nahe am obersten Energieniveau des Valenzbandes und relativ weit entfernt vom untersten Energieniveau des Leitungsbandes liegt; daß die Dynode eine dünne Schicht mit einem die Austrittsarbeit herabsetzenden elektropositiven Stoff auf eine der Flächen des Filmes aufweist; daß die Dicke der Schicht höchstens in der Größenordnung einiger Atomdurchmesser des Stoffes liegt; daß die Schicht die Austrittsarbeit der genannten Fläche so reduziert, daß der Vakuumenergiepegel der Fläche unter dem niedrigsten Energieniveau des Leitungsbandes im Hauptteil des Filmes liegt; daß eine Vorrichtung zur Beschleunigung der freien Elektronen vorgesehen ist, so daß diese mit einer zur Erzeugung von Sekundärelektronen im Leitungsband des Materials ausreichenden kinetischen Energie auf die andere Fläche des Filmes aufprallen; daß die Dicke des Filmes für eine Absorbierung der aufprallenden Elektronen durch den Film ausreicht, jedoch höchstens in der Größenordnung weniger Diffusionslängen für die Elektronen im Material liegt, so daß die Sekundärelektronen zur erstgenannten Fläche diffundieren und von dort emittiert werden können; und daß eine Vorrichtung zur Weiterverwendung der emittierten Elektronen vorgesehen ist.

18„) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration so groß ist, daß sich eine Löcherkonzentration von etwa 10

bis 1O¹⁹ZCm-⁵ im Material ergibt.

19.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus monokristallinem Stoff besteht.

20.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 17* dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus polykristallinem Stoff besteht, dessen durchschnittlicher Korndurchmesser etwa gleich der Dicke des Filmes ist.

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21_β) Sekundarernissionsquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Material Galliumphosphid enthält.

22.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung Beryllium enthält.

23.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmdicke in der Größenordnung von 2000 8 liegt.

24.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Stützvorrichtung für den Film, die einen Ring aus monokristallinem Galliumarsenid aufweist und auf der der Film epitaxial aufgewachsen ist.

25.) Sekundäremissionsquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie der aufprallenden freien Elektronen bei 2000 eV liegt.

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