DE2303748A1

DE2303748A1 - Fernsehaufnahmeroehre mit einer siliciumauftreffplatte mit einem diodenmosaik

Info

Publication number: DE2303748A1
Application number: DE19732303748
Authority: DE
Inventors: Alfred Edward Milch; Barry M Singer
Original assignee: US Philips Corp
Current assignee: US Philips Corp
Priority date: 1972-02-01
Filing date: 1973-01-26
Publication date: 1973-08-09
Also published as: FR2170067A1; GB1413015A; JPS4887719A; NL7301205A; IT977695B; JPS5118768B2; CA960741A; FR2170067B1; NL158318B

Description

Dr.-Ιπί:. F-r-s-TMc; ?t!t Zelle*

r«:-:..««,«!. PHA 2058 IC

Anrae-.L.r: NORTH AMERICAN PHILIPS CORPl Klam/RJ

Akte Nq. PHA-20581
Anmeldung vom; 24. Jan. 1973

"Fernsehaufnahmeröhre mit einer Siliciumauftreffplatte mit einem Diodenmosaik".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fernsehaufnahmeröhre, in der eine Halbleiterscheibe verwendet wird, die mit einem Diodenmosaik versehen ist, das auf der von einem Elektronenstrahl abgetasteten Seite mit einer Widerstandsschicht überzogen ist.

Eine Fernsehaufnahmeröhre, in der ein Siliciumdiodenmosaik verwendet wird, ist in der USA Patentschrift 3-011.089 beschrieben. Eine Siliciumscheibe von einem ersten Leitfähigkeitstyp wird mit Inseln vom entgegengesetzten Leifähigkeitstyp ver-

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sehen, die auf diese ¥eise ein Mosaik von pn-Uebergängen oder Dioden bilden. Auf einer den Inseln gegenüber liegenden Oberfläche der Scheibe wird ein Lichtbild erzeugt; diese Oberfläche wird als die Bildseite der Scheibe bezeichnet. Die andere Oberfläche enthält die Inseln vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und wird von einem Elektronenstrahl abgetastet; diese Oberfläche wird als die Strahlseite der Scheibe bezeichnet. Der Elektronenzahl, der einen Durchmesser aufweist, der grosser als der Durchmesser einer einzigen Insel ist, lädt die Inseln vom p-Typ periodisch auf Kathoden(Erd)-potential auf, während das Potential der Bildseite auf einer geeigneten positiven Spannung gehalten wird. Dieser Potentialunterschied kann während eines normalen Fernsehteilbildes aufrechterhalten werden, solange der Dunkel strom nicht genügend gross ist, um die Dioden während dieser Zeit zu entladen. Um das n—leitende Substrat von dem Strahl zu trennen, bedeckt eine dünne SiLicium__dioxydschicht (SiO₉), die als Isolierschicht dient, die Scheibe auf der dem Elektronenstrahl zugekehrten Seite, mit Ausnahme der Inseln vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wie in der USA Patentschrift 3.^03.284 beschrieben ist.

Das auffallende Licht, das mit dom HiId einhergeht, wird in der Siliciumscheibe absorbiert

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und bildet auf diese Weise Loch-Elektron-Paare. Da der Absorptionskoeffizient von Silicium grosser als 3000 cm" für sichtbares Licht ist, wird der grösste Teil der Loch-Elektron-Paare in der Nähe der Bildoberfläche erzeugt werden, während grössere Wellenlängen von der ganzen Schicht absorbiert werden; die Minoritätsladungsträger (Löcher) diffundieren dann zu dem Erschöpfungsgebiet der Dioden und entladen die Dioden proportional mit der Intensität des Lichtes. Durch das Wiederaufladen der Dioden mittels des abtastenden Strahles wird das Videosignal erhalten.

Da Si0_ ein Isolator ist, wird es von der grossen Energiekomponente des abtastenden Elektronenstrahls auch auf einen Pegel aufgeladen, der gerade unterhalb des Kathodenpotentials liegt. Beim Fehlen eines Mechanismus zum Entfernen dieser Ladung wird die anschliessende Landung des Strahles verhindert und wird das Auslesen von Daten erschwert. Daher wird die SiO„-Schicht mit einer äusserst dünnen Widerstandsmaterialschicht, z.B. aus Hafnium-tantalnitrid, Antimontrisulfid oder einem anderen Material, überzogen, die als Widerstandssee bezeichnet wird und die die Ladung zu den angrenzenden Dioden abrührt .

Elektronen, die auf das Gitter am Ende

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der Röhre aufireffen, erzeugen Röntgenstrahlen, die die Auftreffplatte beschädigen können. Die üblichen Widers tandsseemat erial ien , die bisher in genügend dünnen Schichten verwendet wurden, um den Elektronenstrahl bis zu der unterliegenden Auftreffplattenstruktur eindringen zu lassen, wiesen ein ungenügendes Absorptionsvermögen für die Röntgenstrahlen auf, Tom Beschädigung der Auftreffplatte zu verhindern, oder bei Anwendung von Materialien mit einer genügenden Absorption wiesen diese im allgemeinen andere Eigenschaften auf, die für diesen Zweck nicht günstig waren.

Dementsprechend bezweckt die Erfindung, ein Material zu schaffen, das Röntgenstrahlen in genügendem Masse absorbieren kann und dennoch einen derartigen Widerstand aufweist, dass bei einer Dicke, bei der Elektronen eindringen können, das Material Ladung zwischen den angrenzenden Dioden einer Vidikon— Auftreffplatte mit Siliciumdioden leiten kann.

Diese und andere Absichten gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.

Versuche haben ergeben, dass Materialien mit einem Schichtwiderstand von mindestens 2 . K) /X./Quadrat bei einer Dicke von O,1 um sich als Widerstandssehicht in einer Vidikon-rAuf t rof fpl at t e mit SiI ioiumdi odoii bewährt haben. Dies entspricht

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O einem spezifischen Massenwiders taiid von 2 χ H) ii.cm.

Ein leichtes und wirkungsvolles Verfahren zum Absorbieren von Röntgenstrahlen ist die Anwendung eines Elements mit einer hohen Atomzahl Z für mindestens einen Bestandteil der Widerstandsschicht oder -see.

Es ist z.B. bekannt, dass Antimontrisulfid (Ζ = 51) in Schichten mit einer Dicke von O₀1 /um nicht brauchbar ist (siehe "Soft X-ray Effects Upon Silicon Diode Arrays Aged in Camera Tubes", I.E.E.E. Journal of Solid State Circuits, SC-5, 26I-265 (197O), L.H. von Ohlson), wenn Strahlpotentiale von 600 V oder höher verwendet werden.

Es hat sich ausserdem herausgestellt, dass Cadmiumtellurid (Z = 52) etwas wirkungsvoller ist, während Hafniumtantalnitrid (Z = 7'3) beim Ein— schränken der durch Röntgenstrahlung herbeigeführten Beschädigungen ziemlich wirkungsvoll ist, aber sich als Widerstandssee schwer herstellen lässt.

Durch die Anwendung der oben auseinandergesetzten Kriterien für den elektrischen Widerstand und die RöntgenstrahlungsabsorptLon wurde die nachstehende Tabelle zusammengesetzt, in der die Eigenschaften verschiedener Elemente in bezug auf ihre Brauchbarkeit als Bestandteile in Widorstandssee-

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filmen evaiuiert werden.

Atomzahl Name Bemerkungen (Z)

51 Antimon und nie- ungenügende Röntgenstrah-

driger lungsabsorptxon

52 - 57 Tellur bis Lanthan Grenzfall

58 - 71 Zer bis Lutetium sehr selten, keine Information vefügbar. ■

72 - 73 Hafnium und Tantal führt Fehler im Videobild

herbei

74 Thallium Verbindungen haben meisten?

zu starke elektrische Leitfähigkeit.

75 — 80 Rhenium bis Queck— Verbindungen zu unstabil,

silber flüchtig oder beides.

81 Wolfram Verbindungen meistens zu

stark leitend.

82 Blei führt Fehler im'Videobild

herbei. '

83 Wismut günstige Eigenschaften. 8h - 89 Polonium bis Acti- zu stark radioaktiv.

nium

90 Thorium Verbindungen sehi¹ i'euer-

fest und meistens zu hohem Widerstand.

^- 91 Protoactinium und zu hoher Radioaktivität, transuranische
Elemente

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Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass Wismut günstige Eigenschaften aufweist.

Eine Aufnahmeröhre mit einer Auf!rohrplatte zum Empfang und Speichern eines Lichtbildes, die sich zum Abtasten mittels eines Elektronenstrahls eignet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das Aenderungen im Lichtbild entspricht, welche Auftreff— platte enthalt: eine Halbleitermaterialscheibe, von der eine Oberfläche, die vom Elektronenstrahl abgetastet wird, an ein Mosaik von Dioden mit diskreten gleichrichtenden Uebergängen grenzt, die von Gebieten ohne gleichrichtende Uebergänge umgeben sindj Isoliermaterial, das die genannte Oberfläche selektiv an Stellen oberhalb Gebiete bedeckt, die keine gleichrichtende Uebergänge enthalten und die Teile oberhalb der gleichrichtenden Uebergänge frei lassen» sowie eine Schicht, die die Dioden und das Isoliermaterial bedeckt, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schicht aus einer Wismutverbindung besteht und eine derartige Dicke aufweist, dass der Elektronenstrahl bis zu den Dioden eindringen und auf diesen Dioden landen kann, wobei die Wismutverbindung ücr genannten Schicht einen spezifischen Widerstand von etwa 1O Jt .cm aufweist, so dass Ladungen zu angrenzeii(i(!ii Dioden abgeleitet werdoii, wenn der Strahl

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auf eine bestimmte Diode auftrifft.

Wismut ist einzigartig, weil er die höchste Atomzahl aller in der Natur vorkommender nichtradioaktiver Elemente aufweist.

Das vorzugsweise gewählte 0xyd₉ Bi 0 , ist stabil und nicht flüchtig bei Zimmertemperatur bis zu der üblichen Ausheiztemperaturgrenze, die bei der Herstellung der Röhre verwendet wird. Der Massenwiderstand des Oxyds, in bezug auf Zimmertem- / peratur extrapoliert, ist etwa 10 ζ)_ .cm; dieser Wert kann aber leicht dadurch herabgesetzt werden, dass Defekte eingeführt werden.

Zum Erhalten eine befriedigenden Auflösungsvermögens und eines deutlichen Signals ist die Schicht aus der Wismutverbindung vorzugsweise mit einer anderen Schicht mit einem spezifischen Wider-

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stand von etwa 10 _/]_.cm versehen, deren Dicke in der gleichen Grössenordnung wie die der Wismutschicht liegt, so dass der Elektronenstrahl die Dioden erreichen kann; die letztere Schicht besteht jedoch aus einem Material, dessen Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen geringer als das der Wismutverbindung ist.

Das Material der anderen Schicht kann z.B. Antimontrisulfid oder Hafnium-Tantalnitrid sein, aber ist vorzugsweise Cadmiumtellurid.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Fernsehkameraröhre nach einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 eine Vergrösserung des Gerätes nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Fernsehaufnahmeröhre 1, die eine Kathode 2 zur Bildung eines Elektronenstrahls enthält, der zu einer Auftreffplatte 3 geschickt wird, Die Spulen k lenken den Elektronenstrahl auf bekannte Weise derart ab, dass er eine Auftreffplattenoberflache auf der Auftreffplatte in einer Zeilen- und Rasterreihenfblge abtastet. Sekundärelektronen von der Auftreffplattenoberflache werden von einem Kollektorgitter 5 für Sekundärelektronen gesammelt. Die Linse 6 projiziert das einfallende Licht durch eine transparente Platte 7 hindurch und bildet es auf einer Oberfläche der Auftreffplatte 3 ab.

Die Auftreffplatte 10 der Fig. 2 enthält eine einkristalline Siliciumscheibe 11, in diesem Beispiel vom n—Typ, in der ein regelmässiges Mosaik von p^leitenden Gebieten 12 durch Diffusion geeigneter Verunreinigungen durch Oeffnungen in einer Isolierschicht 13 aus Siliciumdioxyd gebildet ist. .Jedes der p-leitenden Gebiete bildet unter üblichen Betriebsbedingungen in bezug auf das n-leitende

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Substrat eine Diode mit einem in der Sperrichtung vorgespannten pn—Uebergang, wobei die Kapazität der Diode als Speicherelement dient.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist über die ganze Elektronenstrahloberflache der Auftreffplatte eine Widerstandsschicht 14 aus Wismutoxyd angebracht.

Ein Elektronenstrahl 15 lädt die p-leitenden Gebiete periodisch auf Kathoden(Erd)potential auf, während auffallendes Licht in der Scheibe absorbiert wird, so dass Loch-Elektron-Paare erhalten werden. Die Löcher diffundieren zu dem Erschöpfungsgebiet der Diode, wobei die Dioden proportional mit der Lichtintensität entladen werden. Das Videraufladen der Dioden mittels eines Elektronenstrahls führt einen Stromimpuls herbei, der als eine Signalspannung über dem Belastungswiderstand 16 erscheint, der mit Hilfe der Kondensatoren 17 und 18 mit einer Verstärkerschaltung gekoppelt ist. Vor der Auftreffplatte, auf der Seite des Elektronenstrahls, ist eine Beschleunigungselektrode 19 vom Gazetyp angebracht. Diese Elektrode wird auf einem derartigen Potential gehalten, dass die Elektronen, die auf die Gaze auftreffen, Röntgenstrahlen erzeugen, von denen ein gewisser Teil von der Auftreffplattο abgefangen wird.

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Die Wismutoxydschicht lh (Bi 0 ) wird durch reaktive Verdampfung metallischen Wismuts angebracht. Während dieses Vorgangs wird die bilderzeugende Siliciumscheibe unter Vakuum in Anwesenheit eines genau dosierten Sauerstoffdruckes erhitzt und aus einem Tantdschiffchen verdampfendem Wismutmetalldampf ausgesetzt. Filme, die durch dieses Verfahren anwachsen, sind dicht, gleichmässig und weisen, wenn sie auf Glas oder einem anderen geeigneten durchsichtigen Substrat angebracht werden, die hellgelbe Farbe auf, die für das Oxyd Bi O kennzeichnend ist«. Abdeckdichten bis zu 700 /ug/cm² (etwa 8500 Ά dick, wenn angenommen wird, dass die Bi_?0_-Filme eine Dichte von 8,5 g/cm³ aufwiesen) wurden ohne Schwierigkeiten erreicht,

Eine Cd-Te-rSchicht (nicht dargestellt) kann durch Aufdampfen im Vakuum angebracht werden. Dabei wird die Bi O_-Schicht reinem Cd-Te ausgesetzt, das aus einem Tantalschiffchen beim Vorhandensein eines Sauerstofflecks von 2,10 mm verdampft wird. Sehr günstige Ergebnisse werden dadurch erzielt, dass das CdTe mit einer Geschwindigkeit von 2.\ A/sec bis zu einer Dicke von etwa 1500 A aufgedampft wird. Es stellte sich heraus, dass die auf diese Weise behandolto Scheibe bei Anbringung in einer Fernsehaufiiahnmröhre nahezu keine Defekte aufwies und ein ge—

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niigend.es Auflösungsvermögen hatte. Der Signalstrom, Dunkelstrom, und die Nacheilung waren für einen ersten Versuch akzeptabel.

Obgleich vorzugsweise Wismutoxyd verwendet wird, können selbstverständlich auch andere Wismutverbindungen, die mit einem Widerstand von etwa 10 ii- .cm hergestellt werden können, Anwendung finden, weil durch den Wismut das Röntgenstrahlungsabsorptionsvermögen des Filmes erhalten wird. Daher beschränkt sich die Erfindung nicht auf Wismutoxyd oder auf die Verfahren zur Bildung von Wismutoxydfilmen der beschriebenen Art, sondern bezieht sie sich im allgemeinen auf alle akzeptablen Verbindungen und Anbringungsverfahren, die Filme einer geeigneten Dicke und eines geeigneten Widerstandes ergeben und die keine Betriebsfehler aufweisen; auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf Sill— ciumscheiben, weil Germanium oder Scheiben aus anderen geeigneten Halbleitermaterialien statt SiIiciumscheiben verwendet werden können.

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Claims

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Patentansprüche:

fly Fernsehaufnahmeröhre mit einer Auftreffplatte zum Empfang und Speichern eines Lichtbildes, die sich zum Abtasten mittels eines Elektronenstrahls eignet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das Aenderungen im Lichtbild entspricht, welche Auftreffplatte enthält: eine Scheibe aus einem Halbleitermaterial, von der eine Oberfläche, die vom Elektronenstrahl abgetastet wird, an ein Mosaik von Dioden mit diskreten gleichrichtenden Uebergängen grenzt, die von Gebieten ohne gleichrichtende Uebergänge umgeben sind; Isoliermaterial, das die genannte Oberfläche selektiv an Stellen oberhalb Gebiete bedeckt, die keine gleichrichtende Uebergänge enthalten und die Teile oberhalb der gleichrichtenden Uebergänge frei lassen; sowie eine Schicht, die die Dioden und das Isoliermaterial bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schicht aus einer Wismutverbindung besteht und eine derartige Dircke aufweist, dass der Elektronenstrahl bis zu den Dioden eindringen und auf den Dioden landen kann, wobei die ¥ismutverbin₇ dung der genannten Schicht einen spezifischen Wider-

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stand von etwa 10 -^i- .cm aufweist, so dass Ladungen zu angrenzenden Dioden abgeführt werden, wenn der Strahl auf eine bestimmte Diode auftrifft.
2. Aufnahmeröhre mit einer Auftreffplatte

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nach Anspruch 1, bei der die Wismutverbindung aus Wismutoxyd besteht,

3· Aufnahmeröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus der Wisimitverbindung mit einer anderen Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 -Π- .cm versehen ist, die eine derartige Dicke aufweist, dass der Elektronenstrahl die Dioden erreichen kann, welche letztere Schicht jedoch aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen geringer als das der Wismutverbindung ist. k. ■ Aufnahmeröhre nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet., dass die andere Schicht Cadmiumtellurid enthält.

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