DE2120235B2

DE2120235B2 - Vorrichtung zum Vervielfachen von Elektronen

Info

Publication number: DE2120235B2
Application number: DE19712120235
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Ing. 7919 Bellenberg Lieb
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-04-24
Filing date: 1971-04-24
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2134459A1; FR2134459B1; GB1377566A; DE2120235A1; DE2120235C3; NL7205448A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Vervielfachen von Elektronen mit einer scheibenförmigen Elektrode, die von mechanisch versteifenden Elementen getragen ist, aus Halbleitermaterial besteht, auf der Vorderfläche mit Elektroden beaufschlagt wird und auf der Rückseite eine Deckschicht aufweist, die den Austritt der Elektronen mit thermischer Energie ermöglicht.

Eine Vorrichtung zur Vervielfachung von Elektronen der vorstehenden Art ist bereits z. B. aus der FR-PS 66 989 bekannt.

Diese bekannte Vorrichtung weist eine Halbleiterscheibe auf, die am Umfang zur leichteren Halterung und Kontaktierung eine verstärkte Zone aufweist, die sich in Richtung der austretenden Elektronen erstreckt. Eine Unterteilung und Versteifung der Halbleiterfläche ist hierbei nicht vorgesehen.

Aus der GB-PS 11 47 883 ist eine Halbleiterkaltkathode mit einer Vielzahl von Halbleiterflächenteilen bekannt. Die Aufteilung der Halbleiterfläche befindet sich auch hier auf der Elektronenaustrittsseite. Das Problem einer gleichzeitigen mechanischen Versteifung tritt hier überhaupt nicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronenvervielfachende Vorrichtung mit großer mechanischer Festigkeit, hoher Auflösung, geringem Rauschen und großer Ausbeule der auftreffenden Elektronenstrahlung sowie mit gutem Vakuumsverhalten zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die scheibenförmige Elektrode eine Vielzahl von Halbleiterflächenteilen aufweist, die auf der Vorderfläche gegenseitig durch mechanisch versteifende Elemen-

te getrennt sind.

Durch die beschriebene Ausbildung der Halbleiterscheibe wird es ermöglicht, diese einerseits sehr dünn und mit hohem Auflösungsvermögen herzustellen \ψά andererseits bei hoher Verstärkung eine große mechanische Stabilität zu erreichen. Vorrichtungen dieser Art widerstehen daher auch großen Schockbelastungen.

Elektronen mit ausreichender Energie, die auf eine Stirnfläche der Vervielfacherscheibe gerichtet werden, erzeugen in der Scheibe eine Vielzahl von Elektronen mit thermischer Energie. Die nicht mit Elektronen beaufschlagte, gegenüberliegende Stirnfläche der Vervielfacherscheibe, die mit einer Deckschicht versehen ist, setzt die Elektronenaffinität soweit herab, daß die in der Halbleiterschicht erzeugten und durch Diffusion in die Deckschicht eingedrungenen Elektronen die Vervielfacherscheibe verlassen und als freie Elektronen in den Vakuumraum emittiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Dicke der Halbleiterschichtteile mindestens so groß wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusionslänge von Elektronen mit thermischer Energie in d,esem Halbleitermaterial. Zwischen den einzelnen Sdiichtteiien wird die Stärke der elektronenvervielfachenden Scheibe durch versteifende Elemente erhöht, so daß eine ausreichend mechanische Festigkeit erzielt wird. Die Größe der elektronenvervielfachenden Schichtbereiche ist bei Anwendung in einer Bildverstärkerröhre vorzugsweise so gewählt, daß die größte lineare Ausdehnung der Bereiche gleicher oder geringer ist, wie die durch andere Parameter, z. B. die elektronenoptische Abbildungsfehler bestimmte Grenzauflösung. Die Diffusionslänge der Ladungsträger mit thermischer Energie kommt bei den bisher bekannten Halbleitermaterialien in die Größenordnung von μιη. Die Stärke des halbleitenden Materials der Vervielfacherscheibe darf, um wirksam zu sein, nicht größer als die Diffusionslänge der Ladungsträger gemacht werden. Bei einzelnen Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium, erreicht de Diffusionslänge etwa 10 μιη. Bei vielen Anwendungen, wie z. B. bei Bildverstärkerröhren, ist es zur Erzielung einer möglichst großen Auflösung zweckmäßig, die Stärke der Vervielfacherscheibe nicht wesentlich größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen zu machen, die im allgemeinen im μΐη-Bereich liegt.

Vorzugsweise wird, um einen möglichst großen Vervielfachungsausnutzungsgrad der auftreffenden Elektronenstrahlung zu erzielen, der Flächenanteil der elektronenvervielfachtnden Teile an der Gesamtfrontfläche der Scheibe so groß wie möglich gewählt.

Um den Ausnutzungsgrad besonders groß zu gestalten, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch eine spezielle Ausführungsart vorgesehen, bei der durch elektronenoptische Maßnahmen die einfallende Elektronenstrahlung von den nicht vervielfachenden Flächenteilen auf die jeweils benachbarten vervielfachenden Teile gelenkt wird.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele, sowie anhand der schematischen Zeichnungen F i g. 1 bis 3.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäDen elektronenvervielfachenden Scheibe in einer Teilschnittdarstellung. Die elektronenvervielfachende Scheibe besteht aus einer Halbleiterscheibe 1, mit der sich durch höherenergetische Elektronen eine möglichst große Zahl von Elektronen mit thermischer Energie erzeugen lassen Die Halbleiterscheibe weist Vertiefungen 3, z. B, Löcher auf. Die mit den Vertiefungen versehene Stirnfläche 2 der Vervielfacherscheibe wird mit der zu vervielfachenden Elektronenbestrahlung beaufschlagt Diese Vertiefungen oder Löcher werden beispielsweise mit Hilie bekannter photolithographischer Verfahren durch At-

zen hergestellt Durch die Vertiefungen ergibt sich an den Flächenteilen 4 der Halbleiterscheibe eine geringere Stärke. Die Schichtstärke dieser Flächenteile 4 wird so gewählt daß sie gleich oder größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und kleiner oder gleich als die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie ist Es ergibt sich damit eine Vielzahl von einzelnen Flächenteilen 4 eines Halbleitermaterials, das eine Stärke aufweist die mindestens so groß wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusicnslänge von Elektronen r-.:t thermischer Energie in diesem Halbleitermaterial ist.

Die Halbleiterscheibe 1 ist an den nicht mit Vertiefungen versehenen Flächenteilen 5 so stark, daß eine ausreichende mechanische Stabilität der Vervielfacherscheibe erreicht wird. Dies führt im allgemeinen dazu, daß an diesen Stellen die Schichtstärke größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie wird. Um einen möglichst großen Vervielfachungsgrad der auftreffenden Elektronen-Strahlung zu erzielen, ist wie auch aus der Figur zu ersehen ist, der Flächenanteil der elektronenvervielfachenden Teile 4 an der Gesamtfläche der Scheibe groß.

Die Halbleiterscheibe 1 wird an den Randzonen 7 in bevorzugter Weise verstärkt und wird dort z. B. mit einem Metallring 8, der gleichzeitig als Anschlußelektrode dient, festgehalten. Die Verbindung des Metallringes 8 mit der Halbleiterscheibe 7 bzw. 1 kann z. B. durch Löten erfolgen oder wie es in der F i g. 1 angedeutet ist, mit Hilfe eines weiteren Metallringes 9, der den erstärkten Teil 7 der Halbleiterscheibe gegen den

Haltering 8 drückt.

Die Scheibe besteht in bevorzugter Weise aus einem Material mit großer p-Leitfähigkeit. Beispielsweise besteht die Scheibe aus Zn-dotiertem GaAs oder aus mit B-dotiertem Si mit einer Ladungsträgerkonzentration von >10¹⁹/cm³. Um eine Rekombination der thermischen Elektronen an der Oberfläche der mit Vertiefungen versehenen Stirnfläche der Halbleiterscheibe herabzusetzen und damit den Vervielfachungsgrad zu erhöhen, ist die Oberfläche stärker p-dotiert als der übrige Teil der Scheibe, d. h. die Oberfläche ist mit einer ρ ■"■•dotierten Schicht versehen.

Die nicht mit Vertiefungen versehene andere Stirnfläche der Scheibe ist mit einer Deckschicht 6 ausgestattet, die die Elektronenaffinität soweit reduziert, daß die im Innern der Halbleiterscheibe erzeugten Elektronen mit thermischer Energie in den Vakuum-

'·<■· raum austreten. Die Deckschicht 6 besteht beispielsweise aus einer oder aus wenigen Atomlagen einer elektropositiven Metallschicht, ζ. B. einer Cs-Schicht. Vorzugsweise wird als Deckschicht oine Schicht mit hoher η-Leitfähigkeit und insbesondere geringer Elek-

'■' tronenaffinität, wie z. B. eine Schicht aus Cs oder SbCs3 in einer Stärke voti wenigstens A bis 100 Ä vorgesehen. Die Deckschicht kann auch, um den Austritt der Elektronen besonders wirksam zu machen, mehrlagig

ausgebildet sein und z. B. aus übereinanderliegenden η-leitenden Halbteitcrschichten unterschiedliehen Bandabstandes und unterschiedlicher jedoch kleiner Elektronenaffiniiii; bestehen.

Die F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für gleiche oder ähnliche Teile wurden dieselben Bezeichnungen wie beim Ausführungsbcispiel der F i g. I gewählt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Vcrvielfacherscheibe aus einer dünnen halbierenden Folie 1, die mit einer aus einer Vielzahl von Löchern 10 bestehenden Trägerplatte Il durch Kleben, Sintern. Löten, mechanisches Anpressen u.dgl. verbunden ist. Um die Herstellung der dünnen halbleitcndcn Scheibe 1 und die Handhabung bei der Verbindung mit der Trägerplatte 11 zu erleichtern, wird vorgesehen, zuerst die halbleitende Folie in größerer Stärke herzustellen, dann mit der Trägerplatte Il zu verbinden und erst dann die Stärke der Folie 1 z. B. durch Auäi/eii auf liuu vui gesehenen Wet i /ti reduzieren.

Die Stärke der Halbleiterfolie ist gleich oder gröüer als die Eindringtiefe der antreffenden schnellen Elektronen und gleich oder geringer als die Diffusionslänge der im Halbleitermaterial erzeugten Elektronen mit thermischer Energie. Die Trägerplatte 11 ist so ausgeführt, daß durch Wahl eines geeigneten Materials, wie z. B. eines Metalls, wie Nickel oder eines leitfähigen Glases, eines zweckmäßigen Lochdurchmessers, Lochabstandes und einer Plattenstärke sowohl eine große mechanische Festigkeit als auch eine genügende elektrische Leitfähigkeit zur Vermeidung einer elektrischen Aufladung durch die auftreffenden Elektronen erzielt wird. Durch die Verbindung der Trägerplatte 11 mit der Halblciterfolie 1 ergibt sich eine Vervielfacherscheibe mil großer mechanischer Festigkeit und eine Vielzahl von Flächenteilen 4 eines Halbleitermaterials, dessen Stärke mindestens der Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen entspricht und höchstens die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, auf der noch nicht mit Löchern versehenen Trägerplatte 11 die Halbleiterfolie 1 durch epitaktische Abscheidung, z. B. nach dem Gastransportverfahren oder Aufdampfen zu erzeugen. Danach werden die Löcher 10 der Trägerplatte 11 z. B. durch Atzen mit Hilfe photolithographischer Verfahren hergestellt. Die Trägerplatte 11 kann dabei aus einem Halbleiter. ?.. B. einem anderen Halbleiter mit ähnlichem oder gleichem Kristallaufbau oder aus Metall, z. B. Molybdän bestehen.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Für gleiche Teile wurden wieder dieselben Bezugszeichen gewählt und auf eine nochmalige Beschreibung der Wirkungsweise und Ausführung dieser Teile verzichtet Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der F i g. 1 dadurch, daß an den nicht mit Vertiefungen versehenen Stellen 5 der Halbleiterschei be eine elektrisch isolierende Schicht 12 und darauf eine elektrisch leitende Schicht 13 aufgebracht ist Die elektrisch isolierende Schicht 12 kann z.B. eine Oxydschicht sein, die aus dem Material der Halbleiterscheibe 1 gebildet wurde. Bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial besteht die Isolierschicht beispielsweise aus SiO₂. Die elektrisch leitende Schicht kann z. B. aus einer aufgedampften Metallschicht, wie Al oder Au bestehen. Die Heerstellung der Schichten 12 und 13 kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß zuerst das Halbleitermaterial oxydiert wird, dann die metallische Schicht 13 aufgedampft und nachfolgend die Vertiefungen mit Hilfe photolithographischer Methoden durch Ätzen hergestellt werden. An die Schicht 13 wird eine gegenüber der Halbleiterschicht 1 negative Spannung angelegt. Die Spannungshöhe wird so gewählt, daß die einfallende Elektronenstrahlung von den nicht vervielfachenden Flächenanteilen 13, 12 und 5 auf die benachbarten vervielfachenden Flächenteile 3 gelenkt werden.

ίο Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ggf. auch auf die leitende Schicht 13 verzichtet werden. In diesem Fall wird die freie Oberfläche der isolierenden Schicht 12 durch die ankommenden Elektronen negativ aufgeladen und dadurch ein elektrisches Feld erzeugt,

|-, das weitere ankommende Elektronen auf die benachbarten Halbleiterflächenteile 4 ablenkt.

Die Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vervielfacherplatte bei einer Bildverstärkerröhre. Die "öhre besieh! aus dem Yakuurngefaß 14. Auf der Innenseite des Eingangfensters 15, im vorliegenden Fall beispielsweise einer plan-konkav gekrümmten Fiberoptikscheibe, befindet sich die Photokathode 16. Auf der Innenseite des Ausgangsfensters 17, z. B. einer plan-konkav gekrümmten Glas- oder

Fiberoptikscheibe, ist ein Leuchtschirm 18 angebracht. Die Anode 19 eines sogenannten Bildverstärkerdiodensystems ist mit der erfindungsgemäßen Vervielfacherplatte iO elektrisch verbunden. An die Anode 19 bzw. Vervielfacherplatte 20 wird eine gegenüber der

in Kathode 16 positive Spannung von z. B. 15 kV gelegt. Das zu verstärkende Strahlcnbild wird mit Hilfe geeigneter optischer Mittel, z. 3. eines Objektives auf der äußeren Stirnfläche der Fiberoptikscheibe 15 abgebildet.

ji Durch die Photokathode 16 und die elektronenabbildende Eigenschaft das Diodensystems trifft auf die Vervielfacherscheibe 20 eine hochenergetische Elektronenstrahlung auf, deren Intensitätsverteilung dem am Eingang eingegebenen Bildinhalt entspricht. Am Aus-

gang der Vervielfacherscheibe wird damit eine Elektronenstrahlung mit thermischer Energie erzeugt. Die Intensität dieser Strahlung entspricht dem Bildinhalt und ist gegenüber der auftreffenden Strahlung am Eingang der Vervielfacherscheibe um mehr als das

4') Tausendfache verstärkt. Der Ausgang der Vervielfacherscheibe dient als Kathode eines weiteren durch die Anodenelektrode 21 und dem Leuchtschirm 18 gebildeten Diodensystems mit elektrostatischer Linse. An die Anode 21 und dem elektrisch verbundenen

in Leuchtschirm 18 wird eine gegenüber der Vervielfacherscheibe positive Spannung von z. B. 15 k\ gelegt. Auf dem Leuchtschirm entsteht damit ein um mehrere Größenordnungen verstärktes Bild des am Eingang abgebildeten Strahlenbildes.

Die F i g. 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vervielfacherscheibe. Es handelt sich hier um die Verstärkung der Strahlstromdichte einer Oszillographenröhre. Eine Erhöhung der Strahlstromdichte hat vor allem den Vorteil einer größeren

mi Leuchtdichte des Schirmbildes. In den in der F i g. 5 mit der Ziffer 22 bezeichneten Vakuumgefäß befindet sich das bei derartigen Röhren übliche Gtraherzeugungssystem 23 und das Ablenksystem 24. Die erfindungsgemäße Vervielfacherschicht 20 steht dem Leuchtschirm 18 in

!·■■ gleichen und geringem Abstand gegenüber. An die Vervielfacherscheibe 20 wird eine gegenüber der Kathode des Strahlerzeugungssystems positive Span nung gelegt Eine noch höhere positive Spannung liegt

7 8

am Leuchtschirm 18. Der vom .Strahlcrzeugungssystem der Vervielfacherscheibe und dem Leuchtschirm befind-

23 erzeugte und vom Ablenksystem 24 abgelenkte liehe elektrische Feld beschleunigt, sie bewegen sich in

höherenergetische Hlektronen/ahl erzeugt an der senkrechter Richtung zur Vervielfacherschcibe und

Auftreffstelle mit der Vervielfachcrplatte eine Vielzahl Leuchtschirmfläche und treffen dann auf den Leucht-

von Elektronen mit thermischer Energie. Diese -, schirm auf. Es handelt sich hierbei um eine sogenannte

Elektronen werden am Ausgang der Vervielfacherschei- Nahfeldfokussicrung oder Kontaktabbildung, die in der

be emittier!. Es ergibt sich eine dem Vervielfachungs- englischen Sprache als »Proximity Focusing« bezeich-

grul entsprechende Erhöhung der Strahlstromdichte. net wird.
Ijic emittierten Elektronen werden durch das zwischen

Hierzu 2 Blatt Zcichnurmcn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Vervielfachen von Elektronen mit einer scheibenförmigen Elektrode, die von mechanisch versteifenden Elementen getragen ist, aus Halbleitermaterial besteht, auf der Vorderfläche mit Elektronen beaufschlagt wird und auf der Rückfläche eine Deckschicht aufweist, die den Austritt der Elektronen mit thermischer Energie ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Elektrode (1) eine Vielzahl von Halbleiterflächenanteilen (4) aufweist, die auf der Vorderfläche gegenseitig durch mechanisch versteifende Elemente (5) getrennt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Halbleiterflächenteile (4) mindestens so groß ist, wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusionslänge von Elektronen mit thermischer Energie io diesem Halbleiter.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterflächenteile (4) aus einem p-leitenden, insbesondere einem möglichst hochdotierten p-leitenden Halbleitermaterial besteht.

4. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (6) aus einer eine oder wenige Atomlagen dicken Schicht aus einem elektropositiven Metall, z. B. Caesium besteht.

5. Vorric.iung nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 3, d?durch f-.kennzeichnet, daß die Deckschicht (6) aus ein^m η-leitenden Halbleitermaterial, insbesondere mit gering; - Elektronenaffinität besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (6) mehrlagig ausgebildet ist, insbesondere aus übereinanderliegenden η-leitenden Halbleiterschichten unterschiedlichen Bandabstandes und unterschiedlicher Elektronenaffinität besteht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren d.;r Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes vorgesehen sind, das ein Auftreffen der ankommenden Elektronen auf die versteifenden Elemente (5) durch Ablenken auf die benachbarten vervielfachenden Halbleiterflächenteile (4) weitgehend verhindert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der versteifenden Elemente, insbesondere unter Zwischenverfügung einer Isolierschicht (12) mit einer elektrisch leitenden Schicht (12) versehen sind, die auf einem gegenüber den Halbleiterflächenteilen (4) negativen Potential liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der versteifenden Elemente (5) mit einer Isolierschicht (12) versehen mi sind, deren Oberfläche sich durch auftreffende Elektronen gegenüber den Halbleiterflächenteilen (4) negativ auflädt.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die «; scheibenförmige Elektrode (1) aus einer Halbleiterscheibe besteht, deren Frontfläche eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Sacköffnungen (3) aufweist, und daß die Wände zwischen den Sacköffnungen die versteifenden Elemente (5) sind und die Bodenflächen der Sacköffnungen die elektronenvervielfachenden Halbleiterflächenteile (4) bilden.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Elektrode (11) aus einem netz- oder lochplattenförmigen Träger besteht, dessen eine Oberfläche mit einer dünnen Halbieiterfolie (1) versehen ist, wobei die nicht von den Stegen (5) des Trägers bedeckten Flächenteile die vervielfachenden Halbleiterflächenteile (4) bilden.

12 Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterfolie (1) zunächst auf einer durchgehenden Trägerplatte (11) aufgebracht, insbesondere epitaktisch abgeschieden ist, und danach in die Trägerplatte (11) bis auf die Halbleiterfolie (1) durchgehende Öffnungen (10) eingearbeitet sind.

13. Elektronenröhre mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatische Abbildungslinse (21) zur bildhaften Abbildung des aus der Vervielfacherelektrode (20) austretenden Elektronenbildes auf einer nachfolgenden Zielelektrode (18) vorgesehen ist

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den auftreffenden Elektronen zugewandten Oberflächen der Halbleiterflächenteile (4) mit einer ρ+ -Schicht versehen sind.