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Photokathode einer Kathodenstrahlröhre Die Erfindung betrifft eine
Photokathode einer Kathodenstralilröhre, die als Kameraröhre oder als Speicherröhre
verwendet wird.
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Als sogenannte Silicium-Vidicon-Photokathode wurde biscer eine durch
eine PN-Übergangsschicht und eine Flächen-Sperr-Photodiodenanordnung gebildete Photokathode
verwendet zusätz #1 sich zu einer aus einem Silieium-Monokristall gebiltreten Photokathode.
Diese Photokathoden haben jedoch zahlrelche Probleme ungelöst gelassen, die bei
ihrer praktischen Anwendungnochzu lösen sind.
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Im Fallen einer durch eine PN-Übergangsschicht und die Oberflächensperr-Photodiodenanordnung
gebildete Photokathode
muß sehr empfindlich in einem Mosaik-Trennungsprozeß
vorgegangen werden, dem sogenannten Photowiderstandverrahren, doch ist es äußerst
schwlerig, Fehler im Aufbau auf der gesamten Photokathode zu vermeiden.
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Bei einer PN-Übergangsschicht-Photodiodenanordnung als Photokathode
wird nämlich eine Siliciumoxyd-(SiO2) Schicht auf einem Siliciumträger in einem
bestimmten Muster weggeätzt. Bei diesem stellenweisen Wegätzen in einem bestimmten
Muster müssen 700 000 bis 1 000 000 Öffnungen von 8 /um im Durchmesser mit 16 Xum
Abstand der Öffnungsmitten hergestellt werden, und dies wird üblicherweise nach
dem Fluorwasserstoff Photowiderstandsverfahren ausgeführt. (HF) oder ein ähnliche
Ätzmittel wird dabei verwandt; das Photowiderstandsmaterial kann jedoch der Ätzwirkung
eines derartigen Ätzmittels nicht standhalten. Es ist folglich schwierig, das bestimmte
Muster herzustellen. Als Fehler ergibt sich dann, daß einander benachbarte Öffnungen
illeinander übergehen oder andere Öffnungen wieder nicht gebildet werden.
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Im Falle einer PN-Übergangsphotodiode wird Bor durch die in die SiO2-Schicht
eigebrachten Öffnungen hindurchdiffundiert, um P-Typen-Halbleiter zu bilden, so
daß eine bestimmte Photodiodenanordnung erhalten wird. Die Fehler erscheinen llatln
als Striche, Risse oder Störflächen im abgebildeten Bild.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Photokathode einer Kathodenstrahlröhre
zu schaffen, die einfach herzustellen ist und weniger Aufbaufehler hat, weniger
Risse und weniger Ungleichförmigkeitenß die jedoch Übergänge im wesentlichen gleich
denen der bisherigen Kathodenstraiilröhren -Photokathoden hat, welche die Photodiodenanordnung
verwendet.
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ìWach den Grundzügen der Erfindung wird die Oberfläche eines Halbleiterträgers,
der in der Photokathode einer Kathodenstrahlröhre vorgesehen ist, mit einer Schicht
eines hochisolierenden Materials beschichtet unci die Oberfläche dieser hochisolierenden
Materialschicht mit einer Metallelektrode beschichtet, die eine große Anzahl eingef
ormter Öffnungen besitzt.
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Das Wesen sowie Aufbau und Wirkungsweise der Plaotokathode einer
Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung wird aus der nun folgenden Beschreibung eines
Ausftihrungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung deutlich. Es zeigen: Fig.
1: einen Querschnitt durch eine herkömmliche Silicium-Vidicon-Photokathode, die
eine PN-Übergangs-Photodiodenanordnung aufweist; Fig. 2: einen Schnitt durch eine
Silicium-Vidicon-Photokathode unter Verwendung einer Oberflächen-Sperrschichtphotodiodenanordnung;
Fig.
3: einen Querschnitt durch eine Silicium-Vidicon Photokathode; Fig. 4: einen Querschnitt
sowie eine perspektivische Ansicht einer Kathodenstrahlröhren-Photokathode gemäß
der Erfindung; Fig. 5 Schemabilder zur Erläuterung des Bildaurnahmevor-und 7: gangs;
und Fig. 6: ein Schemabild zur Erläuterung eines Speichervorgangs.
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Zum hesseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen Photokathode unter Verwendung einer PN-Ubergangs-Photodiodenanordnung
beschrieben.
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In Figur 1 ist ein Querschnitt einer Photokathode dargestellt, die
eine PN-Übergangsphotodioden-Anordnung verwendet, wobei mit Bezugsziffer 1 ein N-TypensiliciumtrXger
bezeichnet ist, während eine SiO2-Schicht 2 die Photodioden voneinander isoliert,
mit 3 eine Kontaktelektrode dargestellt ist und diffundierte Schichten der P-Type
4 vorgesehen sind.
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Die Photokathode hat Nachteile, die durch eine Hochtemperaturbehandlung
bei der Formierung der Oxydschicht und der di;-'-fundierten P-Typenschicht eingeführt
werden, wobei diese Nachteile noch zu den Iconstruktiven Fehlern hinzukommen.
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Insbesondere wirtl angenommen, daß weiße Fehbrstellen sich infolge
Verkürzung der Lebensdauer leerer Locher einstellen, was mit dem Hochtemperatur-Behandlungsprozeß
zusammenhängt.
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Bei der Photokathode nach der Oberflächensperr-Photodiodenanordnung
ist die Feinbearbeitung der SiO2-Schicht gleich derjenigen bei derPN-Ubergangsphotodioden-Anordnung.
Es ist jedoch nötig, über die gesamte Fläche der Photokathode durch Aufdampfen nach
dem ätzen der SiO2-Schicht eine Goldbeschichtung aufzubringen in einem vorbestimmten
Muster und diese Goldbeschichtung aus der SiO2-Schicht dann stellenweise wegzuätzen.
Hierbei muß sehr genau mit Masken gearbeitet und geätzt werden. Der Photowiderstandsprozeß
wird nämlich zweimal durchgeführt, was zu weiteren Schwierigkeiten führt. Fehler
im Aufbau sind deshalb noch häufiger.
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Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Photokathode mit einer
Oberflächensperrschicht-Photodiodenanordnung, in der der N-Typen Siliciumträger
1 von einer Si02-Schicht 2 überdeckt ist, die die einzelnen Photodioden voneinander
trennt. Weiter sind eine leitende Kontaktelektrode 3 und Goldschichten 5 vorhanden.
Bei der Her stellung dieser Photokathode ist keine Hochtemperaturhehandlung erforderlich,
so daß die Lebensdauer der leeren Löcher nicht verkürzt ist und deshalb keine weißen
Ff-hErtelsl.en auftreten. Es ist jedoch ebenfalls schwierig, die Fehler im Aufbau
während des mosaikartigen Trennungsprozesses der Photodionen zu verringern.
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Figur 5A zeigt einen Querschnitt durch eine Photokathode, die einen
Silicium-Monokristall verwendet. Ein N-Typen-Siliciumtrager 1 ist einerseits mit
einer leitenden Kontaktelektrode 3 und andererseits mit einer hochisolierenden Materialbeschichtung
6 versehen.
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Figur 3B zeigt den Zustand einer Raumladungsschicht, wenn die Photokathode
unter dem Einfluß einer Gegenspannung steht.
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Die in Figur 3A gezeigte PElotokathode ist im Aufbau einfach und
macht keinen mosaikartigen Trennungsprozeß nötig, wie dies aus der Zeichnung zu
ersehen ist. Die Auflösung wird durch die hochisolierende Materialsehicht 6 auf
dem Träger 1 erzielt, doch ist das Auflösungsvermögen nur schlecht und der Dunkelstrom
groß.
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Diese Nachteile werden als Grund für die Tatsache angegeben, daß
die Raumladungsschicht 11 gleichmäßig an der Berührungsfläche von Träger 1 und hochisolierender
Materialschicht 6 gebildet wird, wie dies Figur 3B zeigt.
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Die im N-Type-Siliciumträger 1 erzeugten leeren Locher nämlich gehen
in die Raumladungsschieht 11 durch Diffusion Uber und werden durch das elektrische
Feld so beschleunigt, daß sie entsprechend ihrer Energie über die Grenzschicht überspringen
oder negative Ladungen in der hochisolierenden Materialschicht 6 auf der anderen
Selte des N-Typen-Silicium
trägers 1 infolge Tunneleffekts neutralisieren,
wodurch ein Bildaufnahmevorgang erreicht wird. Da jedoch die Raumladungsschicht
11 gleichmäßig ausgebildet ist, wie dies Figur 5B zeigt, verteilen sich die erzeugten
leeren Löcher vorzugsweise über den N-Typen-Siliciumträger 1. Dadurch ist ein nur
geringes Auflösungsvermögen bedingt. Wird außerdem die Gegenvorspannung erhöht,
wird in der Raumladungsschicht 11 ein P-Kanal gleichmäßig erzeugt, und dies macht
es möglich, das auszuleitende Signal zu vergrößern, verschlechtert jedoch das Auflösungsvermögen
wid erhöht den Dunkelstrom.
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Die Photokathode mit einem Silicium-Monokristall hat also den Nachteil
geringen Auflösungsbeispiel, großen Dunkelstroms und dergleichen, was aus den oben
bèschriebenen Gründen zu erklären ist.
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Mit der Erfindung wird eine Photokathode einer Kathodenstrahlröhre
geschaffenß die frei von derartigen Fehlern ist. Die Erfindung wird nun im einzelnen
erläutert.
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in der Figur 4A ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer Kathodenstrahlröhren-Photokathode nach der erfindung gezeigt, und Fi-gur 4B
zeigt eine- 1)erspektivische Ansieht> in der mit 1 ein Halbleiterträger aus einem
N-Typensilicium oder-Germanium dargestellt ist in
einer Dicke von
ungefähr 60 /um, Fine leitende IContalctelelctrode 5 wird auf der einen Seite des
Siliciumträgers aufgebracht, und eine Metallelektrode 8 von der Dicke von etwa 1000
Å ist durch Aufdampfen aufgebracht. Durch Piiotowiderstandsverfahren sind L3c1ier
9 von ungefähr 10 µm Durchmesser in die Metallelektrode 8 eingebracht mit einem
gegenseitigen Mittenabstand von etwa 20 µm. illit 6 ist eine Schicht aus einem hochisolierenden
Material bezeichnet, das z.B. aus Sb3S3, CaF2, PbO oder dergleichen bestehen kann.
Die Isoliermaterialschicht wird durch Aufdampfen erzeugt. wird jedoch SiO2 verwendet,
kann sie in einer Tieftemperatur-Oxydfilmbildungsverfahren auf dem N-Typen-0 siliciumträger
1 in einer Dicke von etwa 200 bis 500 A erzeugt werden. Außerdem ermöglicht die
Verwendung von oder dergleichen die Bildaufnahmefunktion.
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Die Erzeugung der Photokathode beginnt mit der Bildung der hochisolierenden
Schicht 6 auf dem N-Tvpen-Siliciumträger, woraufhin dann die Metallelektrode 8 aufgedampft
und die Löcher 9 durch Photowiderstandsverfahren gebildet werden.
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Im Vergleich zum mosaikartigen Abtrennungsprozeß des Silicium-Oxydfilms
bei der Herstellung einer Photokathode nach der PN-Übergangsphotodioden-Anordnung
oder der Oberflächensperrphotodioden-Anordnung gemäß Figuren I oder 2 erlaubt die
Bildung der Löcher 9 mit Hilfe des Photowiderstandsverfahrens
die
entsprechende Auswahl des Ätzmittels und erfordert keine derartige Festigkeit des
Widerstandsfilms, ermöglicht also eine wesentlich einfachere Fertigung.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Photokathode hat al-so wesentlich
weniger Fehler in Aufbau als die bisher bekannten.
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In Verbindung mit Figur 5 wird ein Beispiel eines Signalbild-Aufnahmevorganges
mit Hilfe der Kathodenstrahl-Photokathode gemäß der Erfindung erläutert. Dabei ist
mit 10 eine kathode der Kathodenstrahlröhre bezeichnet, die auf Massepotential gehalten
ist. Wenn die Photokathode mit einem langsamen Elektrodenstrahl abgetastet wird,
wobei die leiten Elektrode 7 und die metallische Elektrode 8 auf 10 Volt gehalten
werden, dann wird die Oberfläche 6A der stark isolierenden Materialschicht 6, die
einem Öffnungsbereich 9 entspricht, auf dasselbe Potential gebracht wie die kathode
(Masse potential). Als Folge davon wird eine entgegengesetzte Vorspannung zwischen
die stark isolierende Materialschicht 6, die der Öffnungsfläche 9 entspricht, und
den N-Typensiliciumträger 1 angelegt, so daß eine Raumladungsschicht 11 im N-Typensiliciumträger
1 entsteht, die dem Öffnungsbereich 9 entspricht, Wenn Licht 12 auf die Photokathode
von der Seite der leitenden elektrode 3 her auftrifft, werden unter diesen
Bedingungen
positive Elektronenlöcher erzeugt. Die positiven Löcher erreichen die Raumladungsschicht
11 durch Diffusion und erreichen auch die Grenzschicht zwischen dem N-Typen-Siliciumträger
1 und der hochisolierenden Materialschicht 6 infolge des elektrischen Feldes. Die
positiven Löcher, die die Grenzschicht erreicht haben, überspringen die Grenze zum
stark isolierenden Material 6 wegen ihrer Energie oder erreichen die Oberfläche
6A des stark isolierenden Materials 6 wegen des Tunneleffekts, so daß sie darin
gespeichert werden und auf diese Weise die negativen Ladungen neutralisieren. Dadurch
steigt das Potential an der Oberfläche 6A der stark isolierenden Materialschicht
6 entsprechend der Menge des einfallenden Lichtes. tienn die Photokathode erneut
mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird, werden negative ladungen der Oberfläche
6A zugeführt, wodurch ihr Potential wieder auf das Ausgangspotential (Massepotential)
rückgerührt und damit ein Signal ausgeleitet wird.
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In der Kathodenstrahlröhren-Photokathode nach der Erfindung wird
die Raumladungsschicht 11 nur in den Bereichen gebildet, die denn Löchern 9 in der
Metallelektrode 8 entsprechen, so daß es möglich ist, das seitliche Ausbreiten der
positiven Löcher, die durch das einfallende Licht 12 entstehen, zu verhindern, nachdem
sie die Raumladungsschicht 11 erreicht haben. Im allgemeinen führt ein Anheben der
Gregenvorspannung
zur Bildung eines P-Kanals in der Raumladungsschicht
11, und bei einer Photokathode mit Silicium,-Monokristall, wie sie etwa in der Figur
5 abgebildet ist, wird dadurch der gesamte Bereich der Photokathode durch den P-Kanal
leitend, so daß die Gegenvorspannung nicht veF größert werden kann. Wenn durch Vergrößerung
der Dicke der hochisolierenden Materialschicht 11 der Dunkelstrom verringe,t wird,
wird deshalb das äußere Signal klein. Wenn dagegen die Gegenvorspannung vergrößert
wird, um das äußere Signal zu vergrößern, dann bildet sich ein P-Kanal, wodurch
das Auflösungsvermögen verringert wird.
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In der Kathodenstrahlröhren-Photokathode nach der Erfindung tritt,
auch wenn in der Raumladungsschicht 11 ein P-Kanal sich ausbildet, dadurch kein
Kurzschluß auf, denn Sede Raumladungsschicht 11 ist von der angrenzenden isoliert.
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Auch wenn die Dicke der hochisolierenden Materialschicht 6 relativ
groß ist, kann das äußere Signal verstärkt werden, und die Auflösung ist trotzdem
nicht vermindert. Außerdem kann der Dunkelstrom herabgesetzt werden.
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Die Photokathode der Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung kann
ebenfalls als Photokathode einer Speicherröhre verwendet werden, bei deren Auslesen
die Information nicht zerstört wird. Figur 6 zeigt schaubildlich ein Beispiel dieser
Arbeitsweise.
I)ie leitende Kontaktelektrode 3 und die metaliscjie Elektrode 8 sind gemeinsam
auf demselben Potential geha]ten, und ein ,Schalter 13 ist mit einer GleichslDannungsquelle
14 verhunden, um die Elektroden an einer Spannung von 10 Volt zu halten. Die Photokathode
wird durch einen langsamen Elektronenstrahl abgetastet und die Fläche 6a der hochisolierenden
Materialschicht 6 dabei auf Massepotential gehalten. Dieser Vorgang ist der sogenannte
Löschvorgang. Wird der Schalter 13 dann mit einer Gleichspannungsquelle 15 verbunden,
wodurch die Elektroden auf ein Potential von 300 Volt gebracht werden, wird einem
(nicht gezeigten) Gitter zugleich ein Signal zugeführt, was den Einschreibvorgang
bedeutet.
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Wenn dann der Schalter 15 auf Massepotential 16 geschaltet wird,
um die Elektroden an Masse zu legen; wird von der Fläche 6a ein Gittereffekt ausgeübt,
denn die Fläche 6a der hochisolierenden Materialschicht 6 ist durch den Einschreibvorgang
an ein Potential von 0 bis - 10 Volt gebracht worden. Wenn dann die Photokathode
durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird, fließt ein Strom in die Metallelektrode
8 entsprechend der Gitterwirkung. Dies wird dann als Signal abgenommen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Photokathode
gemäß der Erfindung einfach herzustellen ist. Sie hat außerdem die Vorteile hohen
Auflösungsvermögens, geringer Störeinlagerungen und geringer Ungleichmäßigkeiten
sowie Gleichförmigkeit in ihrer Wirkung im Vergleich zu herkömmlichen Silicium-Vidicon-Photokathoden.
Außerdem kann die Kathodenstrahlröhren-Photokathode gemäß der Erz in din nicht nur--als
Photokathode einer Bildaufnahmeröhre verwendet werden sondern auch als Photokathode
einer Speicherröhre, so daß ihr Anwendungsgebiet sehr groß ist.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird
ein N-Typen-Siliciumträger 1 verwendet. Der Träger l kann jedoch auch ein P-Typensilicium
oder Germanium sein. Ein mögliches Ausführungsbeispiel eines P-Typenhalbleiterträgers
1 hat die Dicke von etwa 20 /um und einen spezifischen Widerstand von etwa 100 Ohm/cm.
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In der Figur 7 ist ein Beispiel, der erfindungsgemäßen Photokathode
einer Kathodenstrahlröhre mit P-Typenhalbleiterträger 1 im Signalbild-Aufnahmeprozeß
dargestellt, wobei einer Kollektor-Siebelektrode 17 ein positives Potential von
600 Volt zugeführt wird, während die Elektroden 8 und 3 gemeinsam auf demselben
Potential von 550 Volt gehalten werden. Wenn die PElotokathode durch einen Elektronenstrahl
abgetastet
wird, wird die Oberfläche 6a einer hochisolierenden Materialsehicht 6 entsprechend
den Öffnungsbereichen 9 auf dasselbe Potential wie die Kollektor-Siebelektrode 17
gebracht infolge der Wirkung von Sekundärelektroden des Abtaststrahls. Als Ergebnis
davon liegt zwischen der hochisolierenden Materialschicht 6 entsprechend den Öffnungsbereichen
9 und deren P-rL'ypenhalbleiterträger 1 eine Gegenvorspannung, so daß Raumladungsschichten
11 gesondert im P-Typenhalbleiterträger 1 entstehen, die den Öffnungsbereichen 9
entsprechen. Die voneinander getrennten Raumladungsschichten 11 haben die Funktion
einer Speicherkapazität mit einer Auflösung in Verbindung mit der hochisolierenden
Materialsehicht 6. Die übrigen Vorgänge und Arbeitsweisen sind denen des in Figur
5 beschriebenen Beispiels gleich.
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Die Piiotokathode, die einen P-Typenhalbleitezträger 1 verwendet,
hat Verteile wie ein nur sehr kurzzeitig nach wirkenden Ladungsbild und hohes Auflösungsvermögen
wegen des kleinen Strahlflecks.