DE3237891A1

DE3237891A1 - Kathodenstrahlroehre und halbleiteranordnung zur anwendung in einer derartigen kathodenstrahlroehre

Info

Publication number: DE3237891A1
Application number: DE19823237891
Authority: DE
Inventors: Arthur Marie Eugene Hoeberechts; Gerardus Gegorius Petrus 5621 Eindhoven Van Gorkom
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-10-29
Filing date: 1982-10-13
Publication date: 1983-05-11
Also published as: GB2109156A; JPH0326493B2; FR2515872A1; JPS5887731A; IT8223934A0; NL8104893A; CA1194082A; IT1155405B; HK2886A; GB2109156B; FR2515872B1; SG74585G; ES516862A0; ES8401676A1; US4574216A

Description

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Kathodenstrahlröhre und Halbleiteranordnung zur Anwendung in einer derartigen Kathodenstrahlröhre

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme oder Wiedergabe von Bildern mit einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuierten Kolben eine Auf treffplatte und eine Halbleiterkathode mit einem Halb»· leiterkörper mit einer Hauptoberfläche enthält, auf der eine erste elektrisch isolierende Schicht mit mindestens einer Öffnung angebracht ist, wobei dieser Halbleiterkörper mindestens einen pn-Ubergang enthält₅ und wobei durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über dem pn-Ubergang in dem Halbleiterkörper durch Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt werden können, die an der Stelle der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht aus dem Halbleiterkörper heraustreten;,*, wobei sich auf der ersten elektrisch isolierenden Schicht wenigstens an der Stelle des Randes der Öffnung in dieser Schicht mindestens eine Beschleunigungselektrode befindet.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 30 25 945 der Anmelderin bekannt.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vor- '

2" richtung zur Aufnahme oder Wiedergabe von Bildern mit einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuierten Kolben eine Auftreffplatte und eine Halbleiterkathode mit einem Halbleiterkörper mit an einer Hauptoberfläche einer p-leitenden Oberflächenzone enthält, die mit mindestens zwei Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluss ist und in einem Abstand von der Hauptoberfläche liegt, der höchstens gleich der Diffusionsrekombinationslänge von Elektronen in der p-leitenden Oberflächenzone ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 15 64 401 der Anmelderin bekannt.

Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine Halbleiteranordnung zur Anwendung in einer derartigen

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Vorrichtung.

Bei einer Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern ist die Kathodenstrahlröhre eine Kameraröhre und ist die Auftreffplatte eine photoempfindliche Schicht, z.B. eine photoleitende Schicht. Bei einer Vorrichtung zur Wiedergabe von Bildern kann die Kathodenstrahlröhre eine Bildröhre sein, während die Auftreffplatte eine Schicht oder ein Muster von Linien oder Punkten aus Leuchtmaterial enthält. Eine derartige Vorrichtung kann auch für elektronenlithographische oder elektronenmikroskopische Anwendungen eingerichtet sein.

In der DE-OS 30 25 945, die oben bereits erwähnt wurde, ist eine Kathodenstrahlröhre dargestellt, die mit einer sogenannten "kalten Kathode" versehen ist. Die Wirkung dieser Kathode basiert auf dem Austreten von Elektronen aus einem Halbleiterkörper, in dem ein pn-übergang derart in der Sperrichtung betrieben wird, dass Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern auftritt. Dabei können gewisse Elektronen soviel kinetische Energie erhalten wie für das Überschreiten des Elektronenaustrittspotentials erforderlich ist; diese Elektronen werden dann an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers ausgelöst und liefern auf diese Weise einen Elektronenstrom.

Das Heraustreten der Elektronen wird in der gezeigten Vorrichtung dadurch erleichtert, dass die Kathode mit sogenannten Beschleunigungselektroden auf einer auf der Hauptoberfläche liegenden Isolierschicht versehen wird, wobei in der Isolierschicht eine (spaltförmige, ringförmige, runde oder rechteckige) Öffnung freigelassen wird. Um das Heraustreten der Elektronen noch weiter zu erleichtern, wird die Halbleiteroberfläche erwünschtenfalls mit einem das Elektronenaustrittspotential herabsetzenden Material, wie z.B. Cäsium, versehen.

Da in dem evakuierten Kolben doch immer Restgase zurückbleiben, werden von dem Elektronenstrom aus diesen Restgasen negative und positive Ionen ausgelöst. Die negativen Ionen werden in Richtung auf die Auftreffplatte beschleunigt. Im Falle elektrostatischer Ablenkung können

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sie auf ein kleines Gebiet der Auftreffplatte fallen und diese beschädigen oder ihre Wirkung beeinträchtigen. Um diese schädliche Wirkung zu vermeiden, werden lonenfallen verwendet. Eine Ionenfalle für negative Ionen ist z.B.

aus der US-PS Nr. 2 913 612 bekannt.

Ein Teil der positiven Ionen bewegt sich unter dem Einfluss in der Röhre vorherrschender beschleunigender und fokussierender Felder zu der Kathode hin. Ein Teil dieser Ionen wird, wenn keixie besonderen Massnahinen ge~ troffen werden, den Halbleiter treffan und ihn beschädigen infolge der Tatsache, dass gleichsam eine Art von Ionenätzung stattfindet.

Diese Beschädigung kann in einer allmählichen Abätzung des die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Materials bestehen. Durch eine Wiederverteilung oder sogar eine vollständige Verschwindung dieses Materials ändern sich die Emissionseigenschaften der Kathode. Wenn diese Schicht nicht vorhanden ist (oder durch den obengenannten Atzmechanismus völlig entfernt ist), kann sogar die Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers angegriffen werden. Bei einer Halbleiterkathode, die auf Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern basiert, wie in der vorgenannten DE-OS-30 25 9^5 beschrieben ist, wobei der emittierende pn-Ubergang parallel zu der Hauptoberfläche verläuft und von dieser Oberfläche durch eine dünne n—leitende Oberflächenzone getrennt ist, ist es möglich, dass infolge dieser allmählichen Atzung diese Oberflächenzone völlig verschwindet, so dass die Kathode nicht mehr wirkt. Bei einer kalten Kathode ähnlicher Art, wie sie in der DE-OS 29 02 746 der Anmelderin beschrieben ist, wird der pn-Ubergang an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers freigelegt. Infolge der obenbeschriebenen beschädigenden Wirkung in der Elektronenröhre vorhandener positiver Ionen kann sich z.B„ die Stelle, an der der pn-Ubergang an der Hauptoberfläche freigelegt wird, ändern. Dies führt zu einem unstabilen Emissionsverhalten·

In der Kathodenstrahlröhre vom zweiten Typ, bei der in der Halbleiterkathode ein pn-übergang in der Durchlass-

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richtung betrieben wird, (die sogenannte negative Elektronenaffinität, kurz NEA-Kathode), wird ebenfalls das Emissionsverhalten dadurch beeinflusst, dass wieder gleichsam eine Ionenätzung stattfindet. Auch in diesem Falle wird ztinächst die Schicht aus die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzendem Material allmählich weggeätzt. Dann wird die p-leitende Oberflächenzone der Kathode angegriffen, bis die Kathode nicht mehr wirkt.

Es stellt sich heraus, dass die obengenannten Vorgänge derart schnell stattfinden können, dass die Lebensdauer mit derartigen Halbleiterkathoden hergestellter Kathodenstrahlröhren dadurch erheblich verkürzt wird.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der diese Nachteile völlig oder teilweise beseitigt sind, dadurch, dass die positiven Ionen eine derartige Bahn beschreiben, dass sie den emittierenden Teil der Kathode nicht oder nahezu nicht treffen.

Ihr liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass ein dazu benötigtes elektrostatisches Feld auf einfache Weise mit Hilfe einer einfachen Erweiterung der Halbleiterkathode erhalten werden kann.

Ihr liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, dass eine sich aus der Verwendung derartiger Kathoden ergebende schräge Anordnung der Kathode in bezug auf die Achse der Kathodenstrahlröhre die Herstellbarkeit der Kathodenstrahlröhre nicht oder nahezu nicht beeinflusst.

Weiter liegt ihr die Erkenntnis zugrunde, dass die Anwendung einer derartigen Kathode in Verbindung mit üblichen elektrostatischen Ablenkinitteln zu einer sehr einfachen Bauart der Kathodenstrahlröhre führt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung vom zuerst genannten Typ (die mit einer Halbleiterkathode versehen ist, deren pn-Ubergang in der Sperrichtung betrieben wird) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper wenigstens teilweise mit einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die die Öffnung in der ersten Isolierschicht frei Lässt und auf der sich mindestens zwei

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Ablenkelektroden zum Erzeugen eines Zweipolfeldes befinden.

Es dürfte einleuchten, dass unter einem Zweipol nicht ein strikt mathematischer Zweipol zu verstehen ist. Unter einem Zweipolfeld ist in diesem Zusammenhang das elektrische Feld zu verstehen, das.zwischen zwei Elektroden auftritt, die auf verschiedene Spannungen gebracht sind. Durch diese Massnahme ist es möglich, in der Nähe der Halbleiterkathode ein elektrisches Feld zu erzeugen, in dem die genannten positiven Xonen die emittierende Oberfläche des Halbleiterkörpers nicht oder nahezu nicht erreichen. Im allgemeinen werden diese Ionen in einiger Entfernung von der Halbleiterkathode in der Vakuumröhre erzeugt, z.B. dadurch, dass Elektronen, nachdem sie im Hochspannungsteil eine genügende Menge Energie erhalten haben, Wechselwirkungen mit in der Röhre zurückgebliebenen Restgasen ausgesetzt werden« Wenn diese Ionen das von den Ablenkelektroden erzeugte elektrische Feld erreichen, weisen sie dadurch eine höhere kinetische Energie als die Elektronen auf, die an der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgelöst werden. Durch diesen Unterschied in kinetischer Energie zwischen den positiven Ionen und den heraustretenden Elektronen bewegen sich die positiven Ionen entlang ganz anderer Bahnen als die in der Kathode erzeugten Elektronen. Die wirksame Oberfläche der Kathode wird dadurch nicht durch die positiven Ionen beschädigt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung vom zweiten Typ, die mit sogenannten "negative Elektronenaffinität aufweisenden Kathoden" versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet^ dass die Hauptoberfläche wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht Überzogen ist, die wenigstens einen Teil der p-leitenden Oberflächenzone freilässt und auf der sich mindestens zwei Ablenkelektroden zum Erzeugen eines Zweipolfeldes befinden.

Für eine derartige Vorrichtung gelten wieder dieselben Vorteile wie oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung vom ersten Typ beschrieben wurden.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die

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Normale der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers und die Achse der Kathodenstrahlröhre sich unter einem spitzen Winkel schneiden.

Die schräge Anordnung der Kathode in bezug auf die Achse, die sich daraus ergibt, beeinflusst den erzeugten Elektronenstrahl nahezu nicht. Es stellt sich heraus, dass die Potentiallinien des von den Ablenkelektroden erzeugten elektrischen Feldes schon bald parallel zu der Anode (Bildschirm, Auftreffplatte) verlaufen werden. Der heraus— tretende Strahl kann dadurch auf einfache Weise in bezug auf die Achse der Kathodenstrahlröhre ausgerichtet werden. Dieser Strahl kann dann auf allgemein bekannte Weise mit Hilfe einer Elektronenoptik gesteuert werden.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform einer Vor— richtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode exzentrisch in bezug auf die Achse der Kathodenstrahlröhre derart angeordnet ist, dass sich ihre Hauptoberfläche praktisch senkrecht zu der Achsenrichtung der Kathodenstrahlröhre erstreckt, während die Kathodenstrahlröhre elektronenoptische Ablenkmittel enthält, mit deren Hilfe ein von der Kathode erzeugter und von den Ablenkelektroden abgelenkter Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, dass er sich danach entlang der Achse der Kathodenstrahlröhre bewegt.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Kathode auf einfache Weise in der Endwand der Kathodenstrahlröhre befestigt werden kann.

Für die zu verwendenden Halbleiterkathoden gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann z.B. eine Kathode der obenbeschriebenen Art, die auf Lawinendurchschlag eines pn-Ubergargs basiert, Anwendung finden. Eine solche Halbleiterkathode von einem ersten Typ ist dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Ubergang wenigstens innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht im

^⁵ wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers verläuft und innerhalb der Öffnung örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung als der übrige Teil des pn-Ubergaiv;s aufweist, wobei der Teil des pn-Ubergangs mit

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einer niedrigeren Durchschlagspannung von der Hauptoberfläche durch eine η-leitende Halbleiterzone getrennt ist, die eine derartige Dicke und Dotierung aufweist, dass bei der Durchschlagspannung sich die Erschöpfungszone des pn-Ubergangs nicht bis zu der Oberfläche erstreckt, sondern nach wie vor von dieser Oberfläche durch eine Oberflächenschicht getrennt ist, die genügend dünn ist, um die erzeugten Elektronen durchzulassen.

Eine Halbleiterkathode von einem zweiten Typ, die auf Law in endur chs chi ag basiert und sich zur Anwendung in einer Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung eignet, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens im Betriebszustand mindestens ein Teil der zu dem pn-Ubergang gehörigen Erschöpfungsschicht an der Halbleiteroberfläche innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht freigelegt wird.

Ausserdem ist auch die Anwendung anderer Halbleiterkathoden, wie der oben bereits genannten negative Elektronenaffinität aufweisenden Kathoden, möglich.

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

Fig. 1 schematisch eine Aufnahmeröhre mit einer Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung, Fig. 2 schematisch eine Wiedergaberöhre mit einer Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung,

Fig. 3 schematisch eine Draufsicht auf eine Halbleiterkathode zur Anwendung in einer Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung,

Fig. k schematisch einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 schematisch den Verlauf der Potentiallinien„ wie sie im Betriebszustand von Spannungen an den Beschleunigungselektroden erzeugt werden,

Fig. 6 schematisch im Querschnitt eine andere Halbleiterkathode, und

Fig. 7 schematisch im Querschnitt noch eine weitere Halbleiterkathode zur Anwendung in einer Kathodenstrahlröhre

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nach der Erfindung.

Die Figuren sind nicht masstäblich gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber in den Querschnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung übertrieben gross dargestellt sind. Halbleiterzonen vom gleichen Leitungstyp sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung zur Anwendung in einer Aufnahmevorrichtung. Die Aufnahmeröhre 1 enthält in einer luftdicht verschlossenen Vakuumröhre 2 eine photoleitende Auftreffplatte 3 und ein Schirmgitter 4. Die Auftreffplatte 3 wird beim Betrieb mit Hilfe eines von einer Halbleiter— kathode 20 erzeugten Elektronenstrahls 10 abgetastet.

Um diesen Strahl ablenken zu können, ist die Aufnahmeröhre weiter mit einem Spulensystem 5 versehen.

Ein aufzunehmendes Bild wird mit Hilfe einer Linse auf die Auftreffplatte 3 projiziert, wobei die Endwand der Vakuumröhre 2 für Strahlung durchlässig" ist. Für elektrische Anschlüsse ist die Endwand 8 der V&icuumröhre 2 mit Durchführungen 9 versehen. Im vorliegenden Beispiel ist die Halbleiterkathode 20 schräg in bezug auf die Endwand 8 angeordnet. Diese kann z.B. durch Fertigmontage auf einer keilförmigen Bodenplatte erfolgen.

Der Winkel oC zwischen der Normalen 11 der Haupt— oberfläche 21 der Kathode 20 und der Achse 12 der Kathodenstrahlröhre 1 beträgt im vorliegenden Beispile ^5°. Je nach den angewandten Spannungen und der Geometrie der Elektroden der Halbleiterkathode kann dafür ein anderer Winkel gewählt werden.

Die Halbleiterkathode 20, deren Aufbau noch näher erörtert werden wird, ist mit zwei Ablenkelektroden 32, versehen. Diese Ablenkelektroden sind durch eine elektrisch isolierende Schicht aus z.B. Siliciumoxid von dem übrigen Teil der Halbleiterkathode getrennt. Beim Anlegen voneinander verschiedener Potentiale in diese Ablenkelektroden 32, '33 wird das dadurch erzeugte elektrische Feld die Bahn

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der Elektronen, die von der Hauptoberfläche 21 her den Halbleiterkörper verlassen, ablenken. Wenn die Elektrode 32, wie im vorliegenden Beispiel, gegenüber der Elektrode 31 positiv ist, wird der heraustretende Elektronenstrahl 10 zu der Ablenkelektrode 32 hin abgelenkt werden.

Es hat sich herausgestellt, dass bei passender Wahl des Winkels s7v und der Potentiale an den Ablenkelektroden 32, 33 die zugehörigen AquipoLentLailinien in geringer Entfernung von der Kathode parallel zu der Endwand 7 der Vakuumröhre 2 verlaufen. Durch eine richtige Anordnung der Halbleiterkathode 20 in bezug auf die Achse 12 der Kathodenstrahlröhre ist es auf diese Weise möglich, den Strahl entlang dieser Achse 12 zu zentrieren, bevor er dem Einfluss des Spulensystems 5 ausgesetzt wird. Die Aufnahme» röhre enthält weiter ein Gitter 18, das als Blende wirkt.

In Fig. 2 ist eine Kathodenstrahlröhre 1 dargestellt, die als Wiedergaberöhre wirkt. Die luftdicht verschlossene Vakuumröhre 2 endet trichterförmig, wobei die Endwand 7 auf der Innenseite mit einem Leuchtschirm 17 überzogen ist.

Die Röhre enthält weiter Fokussierelektroden 13, I^ und Ablenkplatten 15» 16. Der Elektronenstrahl 10 wird in einer Halbleiterkathode 20 erzeugt, die entweder unmittelbar oder mit Hilfe eines Halters auf der Endwand 8 der Röhre montiert ist. Elektrische Anschlüsse der Kathode werden wieder über Durchführungen 9 nach aussen geführt. Die Halbleiterkathode 20 ist im vorliegenden Beispiel exzentrisch auf der Endwand 8 der Röhre 2 montiert. Ein heraustrtetender Elektronenstrahl 10 wird von dem von den an die Ablenkelektroden 32 und 33 angelegten Spannungen erzeugten elektrischen Feld in Richtung auf die Achse 12 der Kathodenstrahlröhre abgelenkt. Dann wird der Elektronenstrahl mit Hilfe eines Magnetfeldes derart zurückgelenkt, dass er sich praktisch entlang der Achse der Kathodenstrahlröhre bewegt. Anschliessend wird der Strahl 10, nachdem er mit Hilfe der Fokussierelektroden 131 1^ fokussiert worden ist, weiter mit Hilfe der Ablenkplatten 15, 16 gesteuert. Die Kathodenstrahlröhre ist weiter wieder mit einem Gitter 18 (Blende) versehen.

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Das Magnetfeld, das den Elektronenstrahl zurücklenkt, kann u.a. mit Hilfe von Spulen erzeugt werden, die in Fig. 2 schematisch durch die kreisförmige gestrichelte Linie 19 angedeutet sind. Die Spulen können wahlweise innerhalb oder ausserhalb der Röhre 2 montiert werden. Bei Montage auf der Innenseite der Röhre 2 werden die Anschlüsse für diese Spulen gleichfalls über Durchführungen 9 in der Endwand 8 mit elektrischen Anschlüssen versehen. Die verwendete Halbleiterkathode ist in den Fig. 3 und -f dargestellt. Diese enthält einen Halbleiterkörper 35» im vorliegenden Beispiel aus Silicium. Dieser Körper enthält ein an seiner Hauptoberfläche 21 erzeugtes n—leitendes Oberflächengebiet 22, das mit einem p-leitenden Gebiet 23 den pn-Ubergang 2k bildet. Durch das Anlegen einer ge— nügend hohen Spannung in der Sperrichtung über diesen pn-Ubergang 2k werden durch Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten können. Dies ist in den Figuren mit Pfeilen 10 angedeutet.

Die Halbleiteranordnung ist weiter noch mit einer nicht dargestellten Anschlusselektrode versehen, mit der das η-leitende Oberflächengebiet 22 kontaktiert wird. Das p-leitende Gebiet 23 ist im vorliegenden Beispiel auf der Unterseite durch eine Metallisierungsschicht 26 kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt vorzugsweise über eine hoch dotierte p-leitende Kontaktzone 25.

Im Beispiel nach Fig. 3 ist die Donatorkonzentration

1 8 im η-leitenden Gebiet 22 an der Oberfläche z.B. 5.10 Atome/cm³, während die Akzeptorkonzentration im p—leitenden

15 /τ Gebiet 2'j viel niedriger ist und z.B. 10 Atome/cm beträgt. Um die Durchschlagspannung des pn—Übergangs 2k örtlich herabzusetzen, ist die Halbleiteranordnung mit einem höher dotierten p-leitenden Gebiet 30 versehen, das mit dem η-leitenden Gebiet 22 einen pn-Ubergang bildet. Dieses p-leitende Gebiet 30 liegt innerhalb einer Öffnung

^⁵ 28 in einer ersten Isolierschicht 27, auf der rings um die Öffnung 28 eine Beschleunigungselektrode 29 aus polykristallinen! Silicium angebracht ist. Die Emission von Elektronen kann erwünschten!*alls noch dadurch vergrössert

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werden, dass die llaJ.blei teroborlU äche 21 innerhalb der Öffnung 28 mit einem die Austritfcsarboit herabsetzenden Material, z.B. mit einer Schicht 3^ aus einem barium- oder cäsiumhaltigen Material, überzogen wird. Für weitere Details einer derartigen Halbleiterkathode und deren Herstellung sei auf die obengenannte DE-OS 30 25 9^5 der Anmelderin verwiesen, deren Inhalt als Referenz in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist.

Der Halbleiterkörper 35 ist weiter mit einer zweiten Isolierschicht 31 versehen, auf der sich zwei Ablenkelektroden 32, 33, z.B. aus Aluminium, befinden. Mit Hilfe dieser Ablenkelektroden und der Beschleunigungselektrode wird im Betriebszustand in der Nähe der Halbleiteroberfläche ein elektrisches Feld erzeugt. Zu einem derartigen elektrisehen Feld gehörige Potentiallinien 36 sind schematisch in Fig. 5 dargestellt, in der auf einem Halbleiterkörper eine erste Isolierschicht 27 mit darin einer Öffnung 28 angebracht ist. Auf der Isolierschicht 27 befindet sich am Rande der Öffnung 28 eine Beschleunigungselektrode 29· Ausserdem sind zwei Ablenkelektroden 32, 33 dargestellt, die durch eine zweite Isolierschicht 31 von der Beschleunigungselektrode getrennt sind. Im vorliegenden Beispiel sind die elektrischen Feldlinien 36 dargestellt für den Fall, dass an die Beschleunigungselektrode 29 eine Spannung von 5 V angelegt ist, während an die Ablenkelektroden 32 und 33 Spannungen von O V bzw. 20 V angelegt sind.

An der Hauptoberfläche 21 ausgelöste Elektronen folgen unter dem Einfluss des vorherrschenden elektrischen Feldes der durch den Pfeil 10 angegebenen Bahn. Diese Elektronenbahn wird, wie oben bereits erwähnt wurde, unter dem Einfluss elektrischer Spannungen an den Elektroden 32 und 33 abgelenkt. Eine Anzahl positiver Ionen, die in der Vakuumröhre 2 durch Kollision der erzeugten und beschleunigten Elektronen mit Restgasen und Elektroden erzeugt werden können, werden von den vorherrschenden elektrischen Feldern in Richtung auf die Kathode beschleunigt.

Diese positiven Ionen erreichen das elektrische Feld in der Nähe der Kathode z.B. entlang der in Fig. 5 mit

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gestrichelten Linien angegebenen Bahnen 37» 3^. Dadurch, dass sie oft einen Teil des beschleunigten Feldes der Kathodenstrahlröhre durchlaufen haben, ist ihre kinetische Energie im allgemeinen sehr gross. Dadurch weisen diese Ionen in der Regel eine hohe kinetische Energie auf, wenn sie das in Fig. 5 durch die Potentiallinien 36 dargestellte elektrische Feld der Kathode erreichen. Obgleich sie dem Einfluss der zugehörigen elektrischen Kraft ausgesetzt sind wird durch ihre hohe kinetische Energie nur eine geringe Bahnkrümmung auftreten, wie in Fig. 5 schematisch durch den Verlauf der gestrichelten Linien 37» 38 angegeben ist. Dies hat zur Folge, dass praktisch keine oder nur sehr wenig positive Ionen die emittierende Halbleiteroberfläche erreichen können. Die Kathode wird denn auch kaum Degradationseffekten infolge ätzender oder anderer beschädigender Wirkung durch positive Ionen ausgesetzt sein.

Im dargestellten Beispiel enthält der Halbleiterkörper nur eine einzige Halbleiterkathode mit einer einzigen Öffnung 28. Bei anderen Vorrichtungen kann diese Anzahl vergrössert werden; so können z.B. für FärbfernsehanWendungen drei oder mehr Offnungen 28 an den Stellen einzeln steuerbarer Kathoden angebracht werden, die mit den gemeinsamen Ablenkelektroden und Beschleunigungselektroden versehen sind.

Fig. 6 zeigt im> Querschnitt eine andere Ausführungsform einer auf Lawinendurchschlag eines pn-Ubergangs basierenden Halbleiterkathode 20. Der Halbleiterkörper enthält im vorliegenden Beispiel ein η-leitendes Substrat 22, in dem sich ein p-leitendes Oberflächengebiet 23 befindet.

Dadurch wird ein an der Hauptoberfläche 21 freigelegter pn-Ubergang 2k gebildet, dessen zugehörige Erschöpfungszone an dem Halbleitergebiet frei gelegt wird. Diese Oberfläche 21 ist weiter mit einer ersten elektrisch isolierenden Schicht 27 aus z.B. Siliciumoxid versehen. In dieser Schicht 27 ist mindustens eine Öffnung 28 vorgesehen, innerhalb deren wenigstens ein Teil des pn—Übergangs 2k an der Haupfcoberflache 21 des Halbleiterkörpers freigelegt wird. Weiter ist auf der elektrisch isolierenden Schicht

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am Rande der Öffnung 28 in unmittelbarer Nähe des pn-Ubergangs 2k eine Beschleunigungselektrode 29 angebracht, die im vorliegenden Beispiel aus Aluminium besteht. Die Halbleiteranordnung ist weiter noch mit nicht dargestellten Anschlusselektroden versehen, die mit dem n-leitenden Substrat 22 gegebenenfalls über eine hochdotierte Kontaktzone und mit dem p—leitenden Oberflächengebiet 23 verbunden sind. Gegebenenfalls kann die Halbleiteroberfläche 21 innerhalb der Öffnung 28 wieder mit einer Schicht 3k aus einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material überzogen werden. Für weitere Details einer derartigen Halbleiterkathode und des Verfahrens zu deren Herstellung sei auf die vorgenannte DE-OS 29 02 7k6 der Anmelderin verwiesen, deren Inhalt als Referenz in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist.

Das Anbringen der Ablenkelektroden 32, 33 kann in den Fig. 3, k und 6 z.B. mit Hilfe einer "Lift-of f."-»Technik erfolgen. Nachdem die Halbleiterkathoden auf die in den vorgenannten DE-OS 30 25 $k5 und DE-OS 29 02 7k6 beschriebene Weise hergestellt sind, wird die ganze Oberfläche mit z.B. einer Photolackschicht überzogen, die anschliessend an den Stellen der zu bildenden Elektroden entfernt wird. Dann wird das Ganze mit einer Aluminiumschicht überzogen. Danach wird die Photolackschicht mit dem darauf niedergeschlagenen Aluminium entfernt, so dass nur an den Stellen der Ablenkelektroden 32, 33 und etwaiger Anschlussbahnen Aluminium zurückbleibt.

Bei einem anderen Verfahren wird der Halbleiterkörper mit einer Isolierschicht überzogen, die sowohl thermisch als auch aus der Dampfphase niedergeschlagen werden kann. Diese Schicht kann aus Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid bestehen, auf das Metall aufgedampft wird, das mit Hilfe photölithographischer Techniken in Muster gebracht wird, wonach unter Abdeckung des Metalls an den Stellen der zu bildenden Offnungen 28 die Isolierschicht mittels bekannter Atztechniken entfernt wird.

Die Kathode ist wieder mit einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht 31 versehen, auf der sich Ablenk-

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elektroden ")2 und 33 befinden. An diesen Ablenkelektroden 32, 33 und die Beschleunigungselektrode 29 können wieder derartige Spannungen angelegt werden, dass das zugehörige elektrische Feld einen ähnlichen Einfluss auf in der Vakuumröhre 2 vorhandene positive Ionen ausübt wie oben an Hand der Fig. 5 für die Kathode nach Fig. 3 beschrieben ist.

Fig. 7 zeigt schliesslich den Querschnitt durch eine negative Elektronenaffinität aufweisende Kathode (NEA-Kathode), wobei ein pn-Ubergang in der Durchlassrichtung betrieben wird. Die Halbleiterkathode 20 enthält im vorliegenden Beispiel einen η-leitenden Halbleiterkörper 4i,

1 7 z.B. aus Galliumarsenid, mit einer Konzentration von 10 Donatoren/cm³ und einer Dicke von 0,3 mm. An einer Hauptoberfläche 21 befindet sich ein Teil 42 vom p—Leitungstyp mit einer Dicke von etwa 10/Um und einer Oberflächen— konzentration grosser als 10 Akzeptoratome/cm . Der p— leitende Teil 42 ist mit einem Überzug 34 aus einem das Elektronenaustrittspotential herabsetzenden Material bedeckt und mit zwei elektrischen Anschlüssen versehen. Von diesen zwei elektrischen Anschlüssen ist einer ein injizierender Anschluss, der im vorliegenden Falle durch den pn-Ubergang 40 zwischen dem p-leitenden Oberflächenteil 42 und dem η-leitenden Körper 4i gebildet wird.

Der andere Anschluss bildet einen Kontakt mit dem p-leitenden Teil 42 über ein Kontaktfenster 44 in einer elektrisch isolierenden Schicht 31. Die Wirkung und die Herstellung einer derartigen Kathode sind näher in dem bereits genannLen erteilten niederländischen Patent Nr. I50 6O9 der Anmelderin beschrieben, dessen Inhalt als Referenz in dor vorliegenden Anmeldung enthalten ist.

Auf der elektrisch isolierenden Schicht 31 befinden sich Ablenkelek trodon 32. und 33· Diese können ein elektrisches Feld mit einer derartigen Form erzeugen, dass auf gleiche Weise wie oben an Hand der Fig. 4 und 5 beschrieben, positive Ionen, die in Richtung auf die Halbleiterkathode 20 beschleunigt werden, die emittierende Oberfläche nicht oder nahezu nicht Lj-ei'i'en.

PHN 10 130 Υξ 43 16.6.1982

Es versteht sieh, dass die Erfindung nicht auf die obenstehenden Beispiele beschränkt ist, sondern dass für den Fachmann im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen möglich sind. So kann, -wie bereits beim Beispiel nach Fig. k für Farbfernsehanwendungen angegeben wurde, auch in der Vorrichtung nach Fig. 7 die Anzahl von Offnungen in der Isolierschicht, in den einzeln steuerbare Emission auftritt, auf drei vergrössert werden.

Auch kann statt einer schrägen Anordnung der Kathode (siehe Fd^ 1) eine schräge Hinterwand 8 verwendet werden. Die Halbleiterkathode selbst kann ausserdem auf verschiedene andere Weisen hergestellt werden, die in den vorgenannten Patentanmeldungen beschrieben ist.

Auch für die Form der Ablenkelektroden sind viele Abwandlungen möglich. Dies kann beim Beseitigen von Ablenkfehlern vorteilhaft sein. Auch kann für eine der Ablenkelektroden (oder für beide) erwünschtenfalls ein aufgeteiltes Muster gewählt werden.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Aufnahme oder Wiedergabe von Bildern mit einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuierten Kolben eine Auftreffplatte und eine Iialblei fcerkathode mit einem Halbleiterkörper mit einer Hauptoberfläche enthält, auf der eine erste elektrisch isolierende Schicht mit mindestens einer Öffnung angebracht ist, wobei dieser Halbleiterkörper mindestens einen pn-Ubergang enthält, und wobei durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrrichtung über dem pn-Ubergang im Halbleiterkörper durch

W Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt werden können, die zu der Stelle der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht aus dem Halbleiterkörper heraustreten, wobei sich auf der ersten elektrisch isolierenden Schicht wenigstens an der Stelle des Randes der Öffnung in dieser

'" Schicht mindestens eine Beschleunigungselektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper wenigstens teilweise mit einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die die Öffnung in der ersten Isolierschicht freilässt und auf der sich mindestens zwei Ablenkelektroden

*" zum Erzeugen eines Zweipolfeldes befinden.
2. Vorrichtung zur Aufnahme oder Wiedergabe von Bildern mit einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuierten Kolben eine Auftreffplatte und eine Halbleiterkathode mit einem Halbleiterkörper mit an einer Hauptoberfläche einer p-leitenden Oberflächenzone enthält, die mit mindestens zwei Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluss ist, der in einem Abstand von der Hauptoberfläche liegt, der höchstens gleich der Diffusionsrekombinationslänge von Elektronen in der p-leitenden Oberflächenzone ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptoberfläche wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die wenigstens einen Teil der p-leitenden Oberflächenzone

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freilässt und auf der sich mindestens zwei Ablenkelektroden zum Erzeugen eines Zweipolfeldes befinden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale der Hauptoberfläche des Halb— leiterkörpers und die Achse der Kathodenstrahlröhre sich unter einem spitzen Winkel schneiden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterkathode exzentrisch in bezug auf die Achse der Kathodenstrahlröhre derart angebracht ist, dass ihre Hauptoberfläche sich praktisch senkrecht zu der Achsenrichtung der Kathodenstrahlröhre erstreckt, während die Kathodenstrahlröhre elektronenoptische Ablenk— mittel enthält, um einen von der Kathode erzeugten und von den Ablenkelektroden abgelenkten Elektronenstrahl derart abzulenken, dass dieser sich dann entlang der Achse der Kathodenstrahlröhre bewegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pn—Übergang wenigstens innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolie— renden Schicht im wesentlichen parallel zu der Hauptober— fläche des Halbleiterkörpers verläuft und innerhalb der Öffnung örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung als der übrige Teil des pn-Ubergangs aufweist, wobei der Teil des pn-Ubergangs mit niedrigerer Durchschlagspannung von der Hauptoberfläche durch eine η-leitende Halbleiterzone getrennt ist, die eine derartige Dicke und Dotierung aufweist, dass bei der Durchschlagspannung sich die Erschöpfungszone des pn-Ubergangs nicht bis zu der Oberfläche erstreckt, sondern nach wie vor von dieser Oberfläche durch eine Oberflächenschicht getrennt ist, die genügend dünn ist, um die erzeugten Elektronen durchzulassen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens im Betriebszustand mindestens ein Teil der zu dem pn-übergang gehörigen Er-

"" schöpfungsschicht an der Halbleiteroberfläche innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht freigelegt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6,

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dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere unabhängig einstellbare pn-TTbergänge, in denen Elektronen erzeugt werden können, enthält und mit den zu diesen pn— Übergängen gehörigen Offnungen gemeinsamen üeschleunigungselektroden und Ablenkelektroden versehen ist.
8. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers wenigstens innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht mit einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material überzogen ist. . ·
9· Halbleiteranordnung zur Anwendung in einer Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, mit einem Halbleiterkörper mit einer Hauptoberfläche, auf der

'5 eine erste elektrisch isolierende Schicht mit einer Öffnung angebracht ist, wobei dieser Halbleiterkörper mindestens einen pn-Ubergang enthält, und wobei durch das Anlegen einer Sperrspannung über dem pn-Ubergang im Halbleiterkörper durch. Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt werden können, die an der Stelle der Öffnung in der ersten, elektrisch isolierenden Schicht aus dem Halbleiterkörper heraustreten, wobei sich auf der ersten elektrisch isolierenden Schicht wenigstens an der Stelle des Randes der Öffnung in dieser Schicht mindestens eine Beschleunigungselektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper wenigstens teilweise mit einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die die Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht freilässt und auf der sich mindestens zwei Ablenkelektroden befinden.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Ubergang wenigstens innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht im wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers verläuft und innerhalb der Öffnung örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung als der übrige Teil des pn-Ubergangs aufweist, wobei der Teil des pn-Ubergangs mit niedrigerer Durchschlagspannung von der Hauptoberfläche durch eine η-leitende Halbleiterzone getrennt ist, die

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eine derartige Dicke und Dotierung aufweist, dass bei der Durchschlagspannung sich die Erschöpfungszone des pn-Ubergangs nicht bis zu der Oberfläche erstreckt, sondern nach. wie vor von dieser Oberfläche durch eine Oberflächenschicht getrennt ist, die genügend dünn ist, um die erzeugten Elektronen durchzulassen.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens im Betriebszustand mindestens ein Teil der zu dem pn-Ubergang gehörigen Erschöpfungssohicht an der Halbleiteroberfläche innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht freigelegt wird.
12. Halbleiteranordnung zur Anwendung in einer Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 4 oder 8 mit einem Halbleiterkörper mit an einer Hauptoberfläche einer p-leitenden Oberflächenzone, die mit mindestens zwei Anschlüssen versehen ist, von denen wenigstens einer ein injizierender Anschluss ist und in einem Abstand von der Hauptoberfläche liegt, der wenigstens gleich der Diffusionsrekombinationslänge von Elektronen in der p-leitenden Oberflächenzone ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptoberflache wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die wenigstens einen Teil der p-leitenden Oberflächenzone freilässt und auf der sich mindestens zwei Ablenkelektroden befinden.
13. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers wenigstens innerhalb der Öffnung in der ersten elektrisch isolierenden Schicht mit einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material überzogen ist.
14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzende Material eines der Materialien aus der durch

³^ Cäsium und Barium gebildeten Gruppe enthält.