DE2345679A1

DE2345679A1 - Halbleiterkaltkathode

Info

Publication number: DE2345679A1
Application number: DE19732345679
Authority: DE
Inventors: John Ernest Ralph; John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-09-22
Filing date: 1973-09-11
Publication date: 1974-04-04
Also published as: FR2213591A1; JPS561737B2; US3931633A; JPS49134265A; FR2213591B1

Description

PHB.32279. Va/EVH.

GÜNTHER M. DAVID 23^5679

Paterstü-ssssor
Anmelder: H. V. PHILIPS' CL0EILAMPENFA3RIEKEN

Akte: PHB-32_T279
Anmeldung vom. ¹O. Sept. 1973

Halbleiterkaltkathode

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterkaltkathode mit einem injizierenden Uebergang mit p—Typ Halbleitermaterial, wobei eine freie Oberfläche des genannten p-leitenden Materials nicht weiter als nahezu eine Diffusionslänge für Elektronen von dem genannten injizierenden Uebergang entfernt ist. '

Eine Halbleiterkaltkathode ist in der britischen Patentschrift 1.147.883 beschrieben. Das Anstrittspotential an der Oberfläche des p-leitenden Materials für von dem Uebergang in das Leitungsband dieses Materials injizierte Elektronen kann nahezu völlig durch eine Oberflächenbehandlung unterdrückt werden, was zur Folge hat, dass nahezu alle Elektronen, die in das p-leitende Material injiziert

409814/0881

- 2 - PHB.32279.

werden und zu dessen Oberfläche diffundieren, zu einem Vakuum ausweichen können.

Die Erfindung bezweckt, eine Elektronenröhre mit einer Halbleiterphotokathode mit Verstärkung, insbesondere, aber nicht ausschliesslich einer Bildphotokathode mit erheblicher Verstärkung, zu schaffen.

Eine Ilalbleiterphotokathode nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere Feldeffekttransistorstrukturen und ein elektronenemittierendes Element enthält, das einen injizierenden Uebergang mit Halbleitermaterial vom p-Typ aufweist und das mit der Source- und/oder Drain-Elektrode der oder jeder Transistorstruktur elektrisch in Reihe angeordnet ist, wobei eine freie Oberfläche des genannten Halbleitermaterials vom p-Typ nicht weiter als nahezu eine Diffusionslänge für von dem genannten injizierenden Uebergang emittierte Elektronen von diesem Uebergang entfernt ist, und wobei die oder jede Transistorstruktur eine Gate-Elektrode zum Erzeugen einer Verarmungszone in dem Kanal der betreffenden Transistorstruktur aufweist, die derart angeordnet ist, dass auf die Photokathode gerichtete elektromagnetische Strahlung in der genannten Verarmungszone oder innerhalb einer Diffusionslänge von der genannten Verarmungszone Ladungsträger erzeugen kann.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform enthält die Photokathode eine Matrix von Feldeffekttransistorstrukturen mit zugehörigen emittierenden Elementen, wobei jede Struktur eine gesonderte Gate-Elektrode besitzt, die vorzugsweise vom

40981 Λ/0881

- 3 - ' PHB.32279.

Grenzsch.ich.ttyp ist.

Wenn jede Gate-Elektrode vom Grenz schicht typ ist, kann sie durch einen pn-Uebergang in Form eines Homoübergangs zwischen Zonen verschiedener Leitfähigkeitstypen, aber aus demselben Halbleitermaterial, oder in Form eines gleichrichtenden HeteroÜbergangs zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien gebildet werden. Der Gate-Uebergang kann- auch durch einen Metallkontakt auf dem Material der Kanäle der Transistorstrukturen gebildet werden, um einen sperrenden Schottky-Uebergang zu erhalten.

Vorzugsweise ist fur alle Gate—Elektroden ein gemeinsamer Adressierleiter vorgesehen, der mit jeder Gate—Elektrode Über eine gesonderte Sperrschicht zur Verhinderung des Abfliessens von Ladung von der Gate-Elektrode zu dem Leiter verbunden ist. Jede dieser Sperrschichten kann durch einen Kondensator oder einen gleichrichtenden Uebergang in Form eines pn-Homoübergangs, eines gleichrichtenden HeteroÜbergangs oder eines sperrenden Schottky—Uebergangs gebildet werden.

Die genannte freie Oberfläche des Halbleitermaterials ■ vom p-Typ eines zu dem oder jedem Transistor gehörigen emittierenden Elements kann mit einem Material überzogen werden, dessen Austrittspotential geringer als oder gleich dem Abstand zwischen dem Fermi-Niveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes in dem p—leitenden Material ist» Das Ueberzugmaterial kann aus Zäsium oder aus Zäsium und Sauerstoff bestehen und z.B. eine Zäsium-Sauerstoff-Monoschicht sein.

Zum Injizieren von Elektronen in das p—leitende

BAD ORIGINAL

- 4 - pub.32279.

Material kann ein in der Durchlassrichtung vorgespannter pn-Uebergang verwendet werden. Auch kann dazu ein injizierender Punktkontakt verwendet werden.

Die Photokathode kann z.B. in eine Bildverstärker- und/oder -umwandlungsröhre aufgenommen sein und einen Leuchtschirm und Mittel, z.B. weitere Elektroden, enthalten, mit deren Hilfe von der Photokathode emittierte Elektronen auf den genannten Schirm fokussiert werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in einer Elektronenröhre,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in einer Elektronenröhre,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Photokathode nach Fig. 2, wobei Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 3,

Fig. 4 ein Schaltbild des in Fig. 3 dargestellten Teiles der Photokathode,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten aktiven Halbleiterbildphotokathode zur Anwendung in einer Elektronenröhre,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Photokathode nach Fig. 5» wobei Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V der Fig. 6 zeigt, und

/♦OS) 8 1 A/088 1

- 5 ·· PHB.32279.

Fig, 7 ein Schaltbild des in Fig. 6 dargestellten Teiles der Photokathode.

In Fig. 1 ist eine Schicht 1 aus p-leitendem einkristallinem Silicium auf einer transparenten Glastragplatte angebracht. Eine Schicht 3 aus einkristallinem n-leitendem Silicium wird epitaktisch auf der Schicht 1 angewachsen. Eine Matrix ringförmiger p⁺-Zonen h wird auf der oberen Fläche der Schicht 3, gleich wie n⁺-Zonen 5, durch Diffusion gebildet, wobei die letzteren Zonen in der Mitte jeder ringförmigen Zone h gelegen sind. Nach der Anbringung der Zonen 4,5 wird die Oberfläche der Schicht 3 völlig von einer dünnen Isolierschicht 6 bedeckt."

Ringförmige Metallkontakte 7» z.B. aus Gold oder Aluminium, werden auf der Schicht 6 oberhalb jeder Zone h abgelagert,. All diese Kontakte 7 sind miteinander über Leiter verbunden, die auf der Schicht 6 abgelagert und schematisch als ein Leiter 8 dargestellt sind.

Eine weitere Isolierschicht 9 erstreckt sich auf der Isolierschicht 6 und bedeckt die Kontakte 7· In den Isolierschichten 6 und 9 sind Oeffnungen oberhalb der n⁺-Oberflächenzonen 5 vorgesehen.

Eine dünne Schicht 10 aus p-leitendem Silicium ist auf der Schicht 9 angebracht und erstreckt sich in den Oeffnungen in den Isolierschichten 6 und 9 in Kontakt mit den n⁺-Zonen 5· Auf der oberen Fläche 11 der Siliciumschicht liegen ringförmige Elektroden 12, z.B. aus Gold oder Aluminium, die zu den ringförmigen ρ -Oberflächenzonen h koaxial sind.

A09814/0881 BAD ORiGINAL

- 6 - PIIB.32279.

Die Elektroden 12 sind miteinander durch Leiter verbunden, die auf der Oberfläche 11 abgelagert und schematisch als ein Leiter 13 dargestellt sind. Die obere Fläche 11 ist auch mit einer nahezu monoatomaren (nicht dargestellten) Schicht aus Zäsium-Sauerstoff versehen, um das Austrittspotential an dieser Oberfläche auf nahezu Null herabzusetzen.

Beim Betrieb wird ein positives Abfragepotential an die Leitung 13 und somit an die Elektroden 12 in bezug auf eine Klemme angelegt, welche Klemme mit der Schicht 3 verbunden ist und in Form eines η -Gitters zwischen den ringförmigen ρ -Zonen 4 angebracht sein kann. Der Stromweg von den Elektroden 12 erstreckt sich über die Siliciumschicht in den Oeffnungen in den Isolierschichten 6 und 9 ²^ den n⁺-Zonen 5 und dann seitlich durch die Schicht 3· Ein positiver Setzimpuls wird an den Leiter 8 angelegt und spannt die pn-Uebergänge zwischen den Zonen k und der Schicht 3 in der Durchlassrichtung vor und lädt somit die MOS-Kondensatoren auf, die durch die Kontakte 7» die Isolierschicht 6 und die Zonen k gebildet werden. Am Ende des positiven Impulses nehmen die Kontakte 7 wieder das Potential der Schicht 3 an und machen die Zonen 4 negativ und spannen somit die Uebergänge zwischen den Zonen 4 und der Schicht 3 in der Sperrichtung vor, während sie eine ringförmige Verarmungszone unter jeder dieser Zonen 4 erzeugen, wobei diese ringförmige Verarmungszone einen Stromweg von der Leitung 13 zu der Klemme 14 umgibt. Die Grosse des Rückstellimpulses und die Dicke und der spezifische Widerstand der Schicht 3 sind derart gewählt,

409814/0881 _: BAD

- 7 - pub.32279.

dass all diese Verarmungszonen sich bis zu dem Uebergang zwischen der Schicht 1 und der Schicht 3 erstrecken (die Klemmen 14 und 15 für die Schichten 3 und 1 sind in diesem Arbeitsmodus miteinander verbunden), wodurch der Stromweg von der Klemme 14 zu jeder Zone 5 und somit zu jeder Elektrode abgesperrt wird. Ein solcher Arbeitsmodus, bei dem sich alle Verarmungszonen bis zu dem Nullvorspannungsübergang unter der Schicht 3 erstrecken, wird nachstehend als "Punch-through"-Modus (Durchschlagmodus) bezeichnet, Wenn die Zonen den genannten Uebergang erreichen, injiziert die p-leitende Schicht Löcher in die Schicht 3_f wodurch die Verarmungszonen beschränkt werden und sich bis zu, aber nicht jenzeits des Uebergangs zwischen den Schichten 1 und 3 erstrecken. Die Matrix wirkt somit als eine Matrix von Grenzschichtfeldeffekttransistorstrukturen, deren gemeinsamer Source-Anschluss durch die Klemme l4 gebildet wird, deren Gate-Elektroden durch die Zonön 4 und deren Drain-Elektrodenzonen durch die Zonen 5 gebildet werden. Wenn nun ein Strahlungsmuster, das freie Ladungsträger in der Schicht 3 erzeugen kann, auf diese Schicht über die Platte 2 und die Schicht 1 fokussiert wird, zieht sich die Verarmungszone unter jeder Gate-Elektrode in den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Rückstellimpulsen gemäss der örtlichen Strahlungsintensität zusammen. Beim Anlegen des positiven Abfragepotentials an die Leitung während dieser Intervalle fliesst ein Strom zu der entsprechenden Zone 5» wobei die Grosse dieses Stroms von dem Ausmass des Zusammenziehens der entsprechenden Verarmungszone und

Λ 0 9 B 1 4 / 0 B B 1 BAD ORIGINAL¹ ,

- 8 - PHB.32279.

2 3 4 b 6 7 9

somit von der Menge an Strahlung abhängig ist, die von dem Ende des vorangehenden Rückstellimpulses an in dieser Verarmungszone absorbiert wird oder innerhalb einer Diffusionslänge von dieser Zone gelangt. Dadurch wird der elektronen— injizierende pn-Uebergang zwischen der entsprechenden Zone und der Schicht 10 in der Durchlassrichtung vorgespannt. Dadurch werden Elektronen in das Leitungsband des p-leitenden Siliciums der Schicht 10 injiziert, zu der Oberfläche 11 diffundiert und zu einem wesentlichen Teil in ein Vakuum an dieser Oberfläche emittiert, z.B. wenn die Photokathode in einer Röhre montiert wird, die schematisch mit gestrichelter Linie 80 angegeben ist. Die Elektronen werden dann von einem elektronenoptischen System 81 beschleunigt und auf den Leuchtschirm 82 der Röhre 80 fokussiert, um ein verstärktes dem Eingangsstrahlungsmuster entsprechendes Bild zu erhalten. Der Leuchtschirm 82 kann leitend sein und die Anode der Röhre bilden.

Es sei bemerkt, dass die Vorrichtung den Effekt der Eingangsstrahlung integrieren kann, wobei Belichtung während längerer Zeit mit dieser Strahlung zur Folge hat, dass sich die Verarmungszonen weiter zusammenziehen und die von den entsprechenden Teilen der Oberfläche 11 emittierte Strahlungs— menge grosser wird. Die Vorrichtung kann dadurch wiedereingestellt werden, dass ein weiterer positiver Impuls an den Leiter 8 angelegt wird.

ErwUnschtenfalls kann ein negatives Potential in bezug auf die Klemme 14 an die mit der Schicht 1 verbundene Klemme

£09 8 "U/0-881

BAD ÖRK3INÄI- -^;??u

- 9 - pirn.32279.

23V-3Ö79

angelegt werden, damit der Uebergang zwischen der Schicht 1 und der Schicht 3 in der Sperrichtung vorgespannt und eine weitere Verarmungszone erzeugt wird, die sich bis in die Schicht 3 zu den Verarmungszonen unter den Gate-Elektroden 4 über einen Abstand erstreckt, der von der Grosse dieses Potentials abhängig ist. Es ist einleuchtend, dass durch das Anlegen eines solchen Potentials der photoempfindliche Teil der Schicht 3 von der Grenzfläche 1, 3 ab bewegt werden kann. Weil rotes Licht weiter als das blaue Licht in die Schicht 3 eindringen kann, kann auf diese ¥eise die relative Empfindlichkeit der Vorrichtung für rotes und blaues Licht geändert werden.

Erwünschtenfalls können die einzelnen kapazitiven Verbindungen des Adressierleiters 8 mit den Gate-Elektroden durch einzelne aus gleichrichtenden Uebergängen bestehende Kopplungen ersetzt werden, die derart polarisiert sind, dass von dem Leiter 8 eine negative Ladung zu den Zonen 4 geführt werden kann, aber nicht zu dem Leiter 8 zurückfliessen kann, wenn der Rückstellimpuls eliminiert wird. Die Kontakte 7 können sich also durch den Isolator 6 erstrecken und die entsprechende p⁺-Zone 4 kontaktieren, um einen Schottky-Uebergang mit dieser Zone zu bilden. Es ist einleuchtend, dass bei Anwendung solcher gleichrichtender Kopplungen die Polarität der an den Leiter 8 angelegten Rückstellimpulse passend gewählt werden muss; die Impulse können, je nach der Art der genannten Kopplungen, positiv oder negativ verlaufende Impulse sein,

4 09814/0881
ORIGINAL

- 10 - PUB.32279.

2 3 ΰ 5 B 7 9

Es sei bemerkt, dass der Ladungsspeicher-Arbeitsmodus der Matrix von Grenzschichtfeldeffekttransistoren der obenbeschriebenen Art dem in der britischen Patentanmeldung 13^15/72 (PHA.20552) beschriebenen Arbeitsmodus ähnlich ist. Die Gate-Elektroden k können erwünschtenfalls auch über einzelne MOS-Transistoren adressiert werden, wie in der genannten Anmeldung beschrieben ist.

In Fig. 2 und 3 enthält eine mit zwei Klemmen versehene aktive Bildphotokathode eine Matrix von JPET-Strukturen, von denen zwei in dem Querschnitt nach Fig. 2 und von denen vier in der Draufsicht nach Fig. 3 dargestellt sind. Auf der Oberfläche einer Ilalbleiterschicht 21 vom η-Typ, z.B. aus Silicium, liegt eine Isolierschicht 22 aus Siliciumoxyd. Jede JFET-Struktur enthält eine mittlere n⁺-Drain-Elektrodenzone 23 kreisförmigen Umfangs, die von einer ringförmigen ρ -Gate-Elektrodenzone Zh umgeben ist, wobei die Gate-Elektrodenzonen pn-Uebergänge 25 mit der r-leitenden Schicht 21 bilden. Die Source-Elektrodenzonen aller JFET-Strukturen werden durch eine einzige η -Zone 27 in Form einer η -Gitterzone an der unteren Fläche der η-leitenden Schicht 21 gebildet, wobei die Oeffnungen im Gitter zu den darüber liegenden kreisförmigen Drain-Elektrodenzonen 23 symmetrisch angeordnet sind. Auf der unteren Fläche der η-leitenden Schicht 21 liegt eine dünne Metallschicht 28, z.B. aus Platin, die eine ohmsche Verbindung mit der n⁺-Source-Elektrodenzone 27 und einen Schottky-Uebergang mit den anderen Teilen der η-leitenden Oberflächenschicht 21 bildet. Die Schicht 21 mit der darauf liegenden Metallschicht 28,

40981^/0881
ORIGINAL ^{: :} °

- 11 - PTI3.32279.

2 3 A 5 B 7 9

die den Durchgang einfallender Strahlung gestattet, wie dargestellt, wird von einer Glasplatte getragen, die auch den Durchgang einfallender Strahlung gestattet.

Auf der Oberfläche der Isolierschicht 22 ist eine Schicht 29 hohen spezifischen Widerstandes aus p-leitendem polykristallinem Silicium abgelagert. Die Schicht 29 erstreckt sich in Oeffnungen in der Isolierschicht 22 und bildet Drain-Anschlüsse 30 mit den n⁺-Drain-Elektrodenzonen 23. Die Drain-Anschlüsse 30 bilden auch injizierende Anschlüsse zum Injizieren von Elektronen von den η -Zonen 23 in die darauf liegenden Teile der p-leitenden Schicht 29. Auf der Oberfläche der p-leitenden Schicht 29 befindet sich eine Anzahl ringförmiger Metallschichtteile 31» die ohmsche Verbindungen mit der Schicht 29 bilden. Die Metallschichtteile 31 umgeben je den Drain-Anschluss 30 einer abbildenden JFET-Struktur. Weitere Metallschichtteile 32 in Form von Streifen erstrecken sich auf der Oberfläche der p-leitenden Schicht 29 und verbinden die ringförmigen Metallschichtteile 31 miteinander. Auf diese Weise bilden die Teile 31 und 32 eine erste gemeinsame Klemme für die JFET-Strukturen. Eine zweite gemeinsame Klemme für die JFET-Strukturen wird durch die Metallschicht 28 gebildet, die ohmsche Verbindungen mit der η -Source-Gitterzone 27 bildet.

In jeder JFET-Struktur ist die p⁺-Gate-Elektrodenzone 2k kapazitiv mit dem Drain-Anschluss 30 verbunden. Dies wird dadurch erreicht, dass die p-leitende Schicht 29 auf der Isolierschicht 22 oberhalb der ringförmigen Gate-Elektroden-

4 0 9 H 1 U I ü ν-, Η 1

- 12 - PH3.32279.

2345579

zone 2k liegt. Die p-leitende Schicht 29, die Isolierschicht und die Gate-ßlektrodenzone 2k bilden also einen Speicher— kondensator, während jeder Metallschichtteil 31 eine gemeinsame Verbindung mit dem Drain—Anschluss 30 und der von der Gate-Elektrode abgekehrten Seite des Speicherkondensators bildet» Auf den Oberflächenteilen der p-leitenden Schicht 29 innerhalb der ringförmigen Metallschichtteile 31 ist ein Ueberzug 33 aus einem Material zur Herabsetzung des Elektronenaustritt spotentials, z.B. aus Zäsium oder einer Zäsium-Sauerstoff-Monoschicht, angebracht« Von dem injizierenden Drain-Anschluss in die p-leitende Schicht 29 emittierte Elektronen können an der Oberfläche der UeberzUge austreten, wenn die Vorrichtung in einer evakuierten Umhüllung (nicht dargestellt) unter einem geeigneten äusseren elektrischen Feld angeordnet wird. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der Abstand zwischen dem injizierenden Anschluss und der emittierenden Oberfläche derart gewählt, dass er nicht wesentlich grosser als eine Diffusionslänge istj in diesem Zusammenhang wird die Dicke der p-leitenden Schicht dementsprechend gewählt. Die Wirkungsweise ist gleich der der Ausführungsform nach Fig. 1, mit der Ausnahme, dass die Rückstellimpulse dem Abfragepotential, das an die erste gemeinsame Klemme 31, 32 in bezug auf die zweite gemeinsame Klemme 28 angelegt wird, hinzugefügt werden. Das genannte Abfragepotential kann die Form von zwischen die Rückstellimpulse eingefügten Impulsen aufweisen oder kann ein gleichmässiges Potential sein, dem die Rückstellimpulse hinzugefügt werden.

A 0 9 8 T A / 0 8 8 1
ORIGfMAL INSfEOTEO

- 13 - PHS.32279.

2345579

Eine Isoliertang zwischen einzelnen emittierenden Oberflächenteilen der p-leitenden Schicht 29 wird dadurch erhalten, dass die p-leitende Schicht 29 einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.

¥ie in Pig. 1 kann die η-leitende Schicht 21 auch auf einem p-leitenden Substrat angebracht sein, wobei die Source-Elektrodenzone an der oberen Fläche der Schicht 21 liegt.

Das einfallende Strahlungsmuster kann auf die obere FlMche der Vorrichtung gerichtet werden, in welchem Falle die p-leitende Halbleiterschicht 29 genügend dünn gemacht werden muss, um Strahlung durchzulassen.

Fig, h zeigt ein Schaltbild des in Fig. 3 dargestellten Teiles der Vorrichtung. Der Zuführungsleiter zu der ersten gemeinsamen durch die Metallschichtteile 31» 32 gebildeten Klemme ist mit T₁ und der Zuführungsleiter zu der zweiten gemeinsamen Klemme 28 ist mit T₂ bezeichnet.

In Fig, 2 sind mit gestrichelten Linien die Grenzen der zu den Gate-pn-Uebergängen und dem Schottky-Uebergang 21, gehörigen Verarmungszonen zu einem gewissen Zeitpunkt zwischen den Rückstellimpulsen angegeben, wenn Strahlung einfällt und das Zusammenziehen der Gate-Verarmungszonen bewirkt hat, wodurch die Kanäle geöffnet werden. Die zu dem Uebergang 21, gehörige Verarmungszone weist eine grössere Dicke unterhalb der n⁺-Zonen 23 als in der Nähe der n⁺-Zonen 27 auf, was auf den seitlichen Spannungsabfall in der Schicht 21 zwischen den Zonen 27 und 23 zurückzuführen ist.

Fig. 5 und 6 zeigen einen Teil einer mit drei Klemmen

4098U/0881

- -\h - PUB.32279.

versehenen aktiven Bildphotokathode, die der Ausführungsform nach Fig. 1 gewissermassen ähnlich ist. Die Photokathode
enthält eine Matrix von JFET-Strukturen, von denen zwei in
dem Querschnitt nach Fig. 5 und von denen vier in der Draufsicht nach Fig. 6 dargestellt sind. Auf der Oberfläche einer η-leitenden Schicht 61, z.B. aus Silicium, liegt eine Isolierschicht 62 aus Siliciumoxyd. Jede JFET-Struktur enthält eine mittlere η -Drain-Elektrodenzone 63 kreisförmigen Umfangs,
die von einer ringförmigen ρ -Gate-Elektrodenzone 6h umgeben ist, wobei die Gate-Elektrodenzone 6k pn-Uebergänge 65 mit der η-leitenden Schicht 61 bilden. Die Source-Elektrodenzone aller JFET-Strukturen werden durch eine einzige η —Zone 67 iⁿ Form einer η -Gitterzone gebildet, die sich an der oberen Fläche
der Schicht 61 erstreckt, wobei die Oeffnungen im Gitter zu
den kreisförmigen Drain-Elektrodenzonen 63 symmetrisch angeordnet sind. Es wird ein gemeinsamer Source-Anschluss mit
dem Gitter 67 hergestellt und mit der Klemme S versehen. Auf der unteren Fläche der η-leitenden Schicht 61 liegt eine
dünne Metallschicht 68, z.B. aus Platin, die einen Schottky-Uebergang mit der n-leitenden Schicht 61 bildet. Die Schicht mit der darauf angebrachten Metallschicht 68, die den Durchgang einfallender Strahlung gestattet, wie dargestellt, wird von einer Glasplatte 69 getragen.

Auf der Oberfläche der Isolierschicht 62 liegt ein
nahezu C-f3rmiger isolierter Gate-Anschluss, der durch einen Metallschichtteil 7I gebildet wird und sich oberhalb der
Gate-Elektrodenzone 6k jeder JFET-Struktur befindet. Die

409814/ 0881

- 15 - PH3.32279.

2345579

Metallschieh-tteile 71 sind miteinander durch weitere Metallschiehtteile 72 verbunden, während eine gemeinsame Gate-Klemme G zum Anschluss an die Metallschichtteile 71» 72 vorgesehen ist. Jeder Metallschichtteil 71 ist gegen die tint er liegende Gate—Elektrodenzone 64 isoliert, wodurch ein MIS—Speicherkondensator in Reihe mit jeder Gate-Elektrodenzone 64 gebildet wird.

In Oeffnungen kreisförmigen Umfangs in der Isolierschicht- 62 oberhalb der Drain-Elektrodenzone 63 sind Schichtteile 74 hohen spezifischen Widerstandes aus p—leitendem polykristallinem Silicium abgelagert. Die p-leitenden Teile 74, die sich auch teilweise auf der Isolierschicht 62 erstrecken, bilden Drain-Anschlüsse 75 mit den η -Drain-Elektrodenzonen Die Drain—Anschlüsse 75 bilden auch TJebergänge zum Injizieren von Elektronen von den η -Zonen 63 in die p-leitenden Schichtteile 74. Auf dem Rande jedes p-leitenden Schichtteiles 74 befindet sich ein ringförmiger Metallschichtteil 76, der eine ohmsche Verbindung mit dem p-leitenden Schichtteil 74 bildet. Die Metallschichtteile 76 sind alle miteinander durch weitere Metallschichtteile 77 verbunden, die sich über die Isolierschicht 62 erstrecken und mit einem gemeinsamen Drain-Anschluss D versehen sind. ^=-

Auf den Oberflächen der p-leitenden Schichtteile 74 innerhalb der ringförmigen Metallschichtteile 76 liegen Ueberzüge 78 aus einem Material zur Herabsetzung des Elektronenaustrittspotentials, z.B. aus Zäsium oder Zäsiumoxyd. Ein wesentlicher Teil der in die p-leitenden Schichtteile 74 von

U 0-9 β M-I f: :: 3 1

BADORfQlKAL

- 16 - PHB.32279.

, den injizierenden Drain-AnSchlüssen 75 injizierten Elektronen kann aus der Oberfläche der Ueberztige austreten, wenn die Vorrichtung in einer evakuierten (nicht dargestellten) Umhüllung unter einem geeigneten äusseren elektrischen Feld angebracht wird. Wieder ist der Abstand zwischen den injizierenden Uebergängen und der emittierenden Oberfläche nicht wesentlich grosser als eine Diffusionslänge; in diesem Zusammenhang wird die Dicke der p-leitenden Schichtteile Jk dementsprechend gewählt. Elektronenemission kann erhalten werden, wenn Leitung in der betreffenden JFET-Struktur zwischen Source- und Drain-Anschlüssen auftritt. Durch den gleichzeitigen Betrieb aller JFET-Strukturen in dem Ladungsspeicherungsmodus (siehe Fig. 1) wird wieder infolge der von jeder JFET-Struktur gelieferten Verstärkung eine erhebliche Ver gr ö" s s erung der Bildphotokathodenwirkung erhalten. So kann, wie dargestellt, ein einfallendes Strahlungsmuster an der unteren Fläche der Vorrichtung in ein Elektronenemissionsmuster an der oberen Fläche der Vorrichtung umgewandelt werden, wie dargestellt ist, wobei die Umwandlung mit Verstärkung erfolgt.

Fig. 5 und 6 zeigen die Anschlüsse der Klemmen S, G und D der Vorrichtung, wobei die Klemme S ausserdem direkt mit der Metallschicht 68 zum Betrieb in dem Durchschlagmodus ("Punch- through ''-Modus ) verbunden ist. Die Abfrage- und Rückstellspannungen sind mit V_ bzw. V bezeichnet.

J. H.

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild des in Fig. 6 dargestellten Teiles der Vorrichtung. Die durch pn-Uebergänge gebildeten und Elektronen injizierenden Drain-Anschlüsse 75 und das Austreten emittierter Elektronen aus den p-leitenden Schicht-

A098U/08Ö1

- 17 - . PHB.32279.

teilen 7k sind dargestellt.

Die beschriebene wirksame Halbleiterphotokathode kann z,B, in einer Bildumwandlungs- und/oder -verstärkerröhre verwendet werden, die eine evakuierte Umhüllung mit der Photokathode, einem Leuchtschirm und elektrostatischen Mitteln enthält, mit deren Hilfe freie von der Photokathode ausgelöste Elektronen beschleunigt und auf bekannte Weise auf den Schirm fokussiert werden.

Die Grenzschicht-Gates in den beschriebenen FET-Strukturen können erwtinschtenfalls durch MOS-Gates ersetzt werden. So kann eine Matrix von FET-Strukturen der in der gleichzeitig eingereichten britischen Patenanmeldung 55687/72 beschriebenen Art auch verwendet werden, wobei ein einzelnes elektronenemittierendes Element, das einen injizierenden Uebergang mit p-leitendem Halbleitermaterial aufweist, mit der Source- und/oder Drain-Elektrode jeder Transistorstruktur elektrisch in Reihe angeordnet wird.

Obwohl in den beschriebenen Ausführungsformen die Photokathoden Matrizen von Transistorstrukturen enthalten, mit deren Drain-Elektroden je ein emittierendes Element elektrisch direkt in Reihe geschaltet ist, ist es einleuchtend, dass die emittierenden Elemente stattdessen oder ausserdem direkt mit den Source-Elektroden der Strukturen in Reihe geschaltet werden können. Ueberdies kann eine Photokathode nach der Erfindung nur eine einzige Feldeffekttransistorstruktur enthalten. Eine solche Photokathode mit einer einzigen Transistorstruktur kann vorteilhaft zur Umwandlung eines modulierten Eingangslaserstrahls in einen modulierten Ausgangselektronenstrahl verwendet werden,

4096 1 4/0881

Claims

PATENTAtIPRUECHE:

- 18 - PH3.32279.

1,1 Halbleiterphotokathode, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Peldeffekttransistorstrukturen vorhanden sind, wobei ein ein injizierender Uebergang mit p-leitendem Halbleitermaterial enthaltendes elektronenemittierendes Element mit der Source- und/oder Drain-Elektrode der oder jeder Transistorstruktur elektrisch in Reihe angeordnet ist, und wobei eine freie Oberfläche des genannten p-leitenden Halbleitermaterial nicht wesentlich weiter als eine Diffusionslänge für von dem genannten injizierenden Uebergang emittierte Elektronen von diesem Uebergang entfernt ist, während die oder jede Transistorstruktur eine Gate-Elektrode zum Erzeugen einer Verarmungsz one in dem Kanal der betreffenden Transistorstruktur enthält, die derart angeordnet ist, dass auf die Photokathode gerichtete elektromagnetische Strahlung Ladungsträger in diesen Verarmungszonen oder innerhalb einer Diffusionslänge von diesen Verarmungszonen erzeugen kann.

2, Photokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede genannte freie Oberfläche mit einem Material überzogen ist, dessen Austrittspotential geringer als oder gleich dem Abstand zwischen dem Fermi-Niveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes in dem p-leitenden Halbleitermaterial ist.

3. Photokathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberzugsmaterial aus Zäsium-Sauerstoff besteht und eine Dicke von nahezu einem Molekül aufweist.

A098U/0881

- 19 - PHB.32279.

23^5679

k_t Photokathode nach, einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder injizierende
Uebergang ein Uebergang zwischen η-leitendem Halbleitermaterial und dem genannten p-leitenden Material ist«

5. Photokathode nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Transistorstruktur vom n-Kanaltyp ist,
wobei das η-leitende Material, das einen Uebergang mit dem
p-leitenden Material bildet, auch den Source- oder den Drain der betreffenden Transistorstruktur bildet.

6. Photokathode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Feldeffekttransistorstruktur eine Grenzschicht-Gate-Elektrode enthält.

7. Photokathode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass eine Matrix solcher Transistorstrukturen und zugehöriger emittierender Elemente vorhanden ist.

8. Photokathode nach Ansprüchen 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass jede Transistorstruktur eine gesonderte Gate-Elektrode enthalt und die Photokathode einen gemeinsamen
Adressierleiter für diese Gate-Elektroden aufweist, welcher
Leiter mit jeder Gate-Elektrode über eine einzelne Sperrschicht zur Verhinderung des Abfliessens von Ladung von der Gate-Elektrode zu dem Leiter verbunden ist,

9. Photokathode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschichten je einen Kondensator enthalten.

10. Photokathode nach einem der Ansprüche 7 bis 9 t dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalzonen der Transistorstrukturen alle in einer einzigen Schicht aus Halbleitermaterial liegen.

Λ0981Α/0881

ORIGINAL IMSPECTED

- 20 - PHB.32279.

11. Photokathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektroden alle nahezu an derselben Hauptfläche der genannten Schicht liegen und je eine Konfiguration aufweisen, um eine Verarmungszone erzeugen zu können, die einen Stromweg von einem Source-Anschluss zu einem Drain-Anschluss ftir die entsprechende Transistorstruktur umgibt, wobei mindestens einer der genannten Source- und Drain-Anschlüsse nahezu an derselben genannten Hauptfläche liegt und elektrisch mit dieser Hauptfläche in Ver? indung steht,

12. Photolcathode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Anschluss, der nahezu an derselben genannten Hauptfläche liegt, mit dieser genannten Hauptfläche über das entsprechende emittierende Element verbunden ist.

13. Photokathode nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schicht mit der anderen Hauptfläche der Halbleiterschicht in Kontakt ist, um eine Verarmungszone zu erzeugen, die sich bis in die Halbleiterschicht erstreckt.

14. Photolcathode nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 11 bis 13t dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Adressierleiter auch einen gemeinsamen Zuführungsleiter für die genannten nahezu an derselben genannten Hauptfläche liegenden Anschlüsse bildet,

15. Photokathode nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Source— sowie der Drain-Anschluss für jede Transistorstruktur nahezu an derselben genannten Hauptfläche liegen und mit dieser Hauptfläche in elektrischer Verbindung stehen,

40981 W0381

- 21 - . PIIP.32279.

23:Vbo79

16» Photokathode nach, einem der Ansprüche 10 bis 15» dadurch gekennzeichnet, dass das p-leitende Material sämtlicher emittierender Elemente die Form einer einzigen Schicht aufweist, die auf einer Hauptfläche der genannten Halbleitermaterialschicht liegt.

17» Elektronenröhre, die eine evakuierte Umhüllung mit einer Photokathode nach einem der vorangehenden Ansprüche enthält.

18, Röhre nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung einen Kathodenleuchtschirm enthält, der derart angeordnet ist, dass er Elektronen von der Photokathode empfängt,

A09814/0881 ORIGINAL INSPECTED

Leerseite