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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
elektronenemittierende Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine
elektronenemittierende Halbleitervorrichtung, bei der eine
Lawinenverstärkung bewirkt wird und Elektronen in schnelle Elektronen
umgewandelt und emittiert werden.
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Bisher gab es unter elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtungen bekannte Vorrichtungen, die eine Lawinenverstärkung
anwenden, wie in den U.S. Patenten Nr. 4259678 und 4303930
offenbart. Derartige Vorrichtungen sind in der folgenden Weise
aufgebaut. Eine p-Typ-Halbleiterschicht und eine
n-Typ-Halbleiterschicht sind so gebildet, daß sie miteinander in Kontakt sind,
wodurch eine Diodenstruktur gebildet wird. Durch Anlegen einer
Sperr-Vorspannung zwischen beiden Elektroden der Diode wird eine
Lawinenverstärkung bewirkt und Elektronen werden in schnelle
Elektronen umgewandelt. Die Elektronen werden von der Oberfläche
der n-Typ-Halbleiterschicht, bei der eine Austrittsarbeit durch
Abscheiden von Cäsium oder dergleichen auf die Oberfläche der n-
Typ-Halbleiterschicht verringert ist, emittiert.
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Bei den vorstehenden herkömmlichen Vorrichtungen sind Cäsium und
eine Cäsium-Sauerstoff-Verbindung auf der Oberfläche des
elektronenemittierenden Abschnitts gebildet, um die Austrittsarbeit
des elektronenemittierenden Abschnitts zu verringern. Da das
Cäsium-Material chemisch jedoch äußerst aktiv ist, gibt es
dahingehend Probleme, daß (1) der stabile Betrieb nur bei Verwendung
des Cäsium-Materials in einem Super-Hochvakuum (bis 10&supmin;&sup7; Torr
oder mehr) ausgeführt wird, (2) die Lebensdauer sich abhängig
von einem Vakuumgrad ändert, (3) der Wirkungsgrad sich abhängig
von einem Vakuumgrad ändert und (4) und dergleichen Probleme
auftreten. Andererseits werden die am pn-Übergang erzeugten
schnellen Elektronen gestreut und verlieren beim Durchgang durch
die n-Typ-Halbleiterschicht an Energie. Deshalb ist es
erforderlich, die n-Typ-Halbleiterschicht extrem dünn zu machen (z.B.
20nm (200Å) oder weniger). Es bestehen jedoch viele Probleme
beim Halbleiterherstellungsverfahren im Falle einer
einheitlichen Bildung einer derartigen extrem dünnen
n-Typ-Halbleiterschicht mit einer hohen Konzentration und weniger Fehlern. Es
ist schwierig, die Vorrichtung stabil herzustellen. In "Applied
Physics Letters", Bd. 13, Nr. 7, 01. Oktober 1968, New York USA,
Seite 231-233, ist die Emission von Elektronen von einer in
Vorwärtsrichtung vorgespannten Schottky-Barriere in ein Vakuum
offenbart. Die Vorrichtung umfaßt eine Schottky-Elektrode auf
einem n-Typ-Halbleiter.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
Probleme zu lösen, die auf Grund des Materials, das die
Austrittsarbeit verringert, verursacht werden, und eine dünne
Halbleiterschicht zu verwirklichen. Zu diesem Zweck werden die
schnellen Elektronen unter Anwendung des Lawineneffekts eines
Schottky-Übergangs erzeugt. Das heißt, eine
Störstellenkonzentration eines p-Typ-Halbleiters, mit dem eine Schottky-Elektrode
verbunden ist, wird auf einen Wert innerhalb eines derartigen
Konzentrationsbereichs gesetzt, um den Lawinendurchbruch aus
zulösen. Eine Spannung zum Vorspannen des Übergangs zwischen der
Schottky-Elektrode und dem p-Typ-Halbleiter in Sperrichtung wird
angelegt und eine Lawinenverstärkung bewirkt, wodurch den
Elektronen eine stabile Emission von der Oberfläche der Schottky-
Elektrode ermöglicht wird.
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Deshalb wird die Schottky-Elektrode als ein Material mit
niedriger Austrittsarbeit verwendet und die Austrittsarbeit der
Elektronenemissionsoberfläche nimmt ab, sodaß die Elektronen stabil
emittiert werden können. Zudem wird die Anforderung, die
Halbleiterschicht dünn zu machen, ebenso verringert.
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Der praktische Betrieb der elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtung der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf
ein Bändermodell beschrieben.
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Fig. 4 ist ein Bändermodell der Halbleiteroberfläche in der
elektronenemittierenden Halbleitervorrichtung der Erfindung.
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Der Fall einer Verwendung des Materials mit niedriger
Austrittsarbeit als ein Material für die Schottky-Elektrode wird
nachstehend beschrieben.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, kann durch ein Vorspannen des Übergangs
zwischen einem p-Typ-Halbleiter (im Modell bezeichnet p einen p-
Typ-Halbleiterabschnitt) und einem Material mit niedriger
Austrittsarbeit (im Modell bezeichnet T einen Abschnitt mit einem
Material mit niedriger Austrittsarbeit) in Sperrichtung ein
Vakuumniveau EVAC auf ein niedrigeres Energieniveau als ein
Leitungsband EC des p-Typ-Halbleiters gebracht werden und ein
großer Energieunterschied ΔE kann abgeleitet werden. Durch
Bewirken der Lawinenverstärkung in einem derartigen Zustand kann
eine Anzahl von Elektronen, die die Minoritätsträger des p-Typ-
Halbleiters waren, erzeugt werden und ein Emissionswirkungsgrad
der Elektronen kann erhöht werden. Andererseits, da das
elektrische Feld in einer Verarmungsschicht Energie an die Elektronen
abgibt, werden die Elektronen in schnelle Elektronen umgewandelt
und eine kinetische Energie erhöht sich stärker als die
Temperatur des Gittersystems. Deshalb können die Elektronen, die ein
größeres Potential als die Austrittsarbeit der Oberfläche
besitzen, aus der Oberfläche emittiert werden, ohne viel Energie auf
Grund von Diffusion zu verlieren.
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Als ein Halbleitermaterial, das für die elektronenemittierende
Halbleitervorrichtung der Erfindung verwendet wird, kann man
beispielsweise Materialien wie Si, Ge, GaAs, GaP, GaAlP, GaAsP,
GaAlAs, SiC, BP, usw. verwenden. Es kann jedoch irgendein
Halbleitermaterial, das einen p-Typ-Halbleiter bilden kann,
verwendet werden. Im Falle eines Halbleiters mit einem indirekten
Übergang und einem großen Bandabstand E, ist der
Elektronenemissionswirkungsgrad gut.
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Die Störstellenkonzentration des verwendeten Halbleiters wird
auf einen Wert in einem Konzentrationsbereich gebracht, daß der
Lawinendurchbruch ausgelöst wird. In einem derartigen Fall wird
durch Verwenden des Halbleiters bei einer Grenzkonzentration,
sodaß der Tunneleffekt die Durchbruchs-Charakteristiken
dominiert, der maximale Wirkungsgrad, bei dem der Lawinendurchbruch
zu einer Änderung der Elektronen in schnelle Elektronen
beiträgt,
erhalten. Deshalb müssen die Störstellen auf eine
Konzentration, die nicht größer als eine Konzentration zum Auslösen
des Tunneldurchbruchs ist, dotiert werden.
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Das bei der elektronenemittierenden Halbleitervorrichtung der
Erfindung verwendete Schottky-Elektrodenmaterial muß ein
Material sein, das deutlich die Schottky-Charakteristik zum p-Typ-
Halbleiter zeigt. Im allgemeinen ist eine lineare Beziehung
zwischen einer Austrittsarbeit ΦWk und einer Schottky-Barrierenhöhe
ΦBn zu einem n-Typ-Halbleiter erfüllt (siehe Gleichung 76(b) auf
Seite 274 in "Physics of Semiconductor Devices" von S.M.Sze.).
Bei Si gilt: ΦBn= 0,235 und ΦWk= 0,55. Auch bei anderen
Halbleitermaterialien nimmt der Wert von ΦBn in ähnlicher Weise bei
einer Verringerung der Austrittsarbeit ab. Andererseits besteht im
allgemeinen zwischen den Schottky-Barrieren ΦBp und ΦBn zum p-
Typ-Halbleiter die folgende Beziehung:
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ΦBp + ΦBn = 1/q Eg
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Deshalb erhält man die Schottky-Barriere zum p-Typ-Halbleiter
wie folgt: ΦBp = 1/q Eg - ΦBn.
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Wie aus der vorstehenden Gleichung leicht zu verstehen ist, kann
durch Verwenden eines Materials mit niedriger Austrittsarbeit
eine gute Schottky-Diode zum p-Typ-Halbleiter erzeugt werden.
Als ein derartiges Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit
gab es bekannte Metalle aus den 1A-, 2A- und 3A-Gruppen und aus
dem System der Lanthanide, Silizide aus den 1A-, 2A- und 3A-
Gruppen und aus dem System der Lanthanide, Boride aus den 1A-,
2A- und 3A-Gruppen und aus dem System der Lanthanide, Karbide
aus den 1A-, 2A- und 3A-Gruppen und aus dem System der
Lanthanide, und dergleichen. Die Austrittsarbeiten dieser Materialien
werden auf 1,5 bis 4 V gesetzt. Alle von ihnen können als gute
Schottky-Elektrodenmaterialien für den p-Typ-Halbleiter
verwendet werden.
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Durch Verwenden des vorhergehenden Halbleitermaterials, der
Halbleiterkonzentration und des Schottky-Elektrodenmaterials
kann eine gute elektronenemittierende Haltbleitervorrichtung vom
Schottky-Typ hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Figuren 1A und 1B schematische Aufbauschaubilder des ersten
Ausführungsbeispiels einer elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 ein schematisches Aufbauschaubild des zweiten
Ausführungsbeispiels einer elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtung der Erfindung;
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Figuren 3A und 3B schematische Aufbauschaubilder in dem Fall,
bei dem eine Anzahl von elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtungen im zweiten Ausführungsbeispiel auf einer Linie
gebildet ist; und
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Fig. 4 ein Bändermodell der Halbleiteroberfläche in der
elektronenemittierenden Halbleitervorrichtung der Erfindung.
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Figuren 1A und 1B sind schematische Aufbauschaubilder des ersten
Ausführungsbeispiels einer elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtung der Erfindung. Fig. 1A ist eine Draufsicht und Fig.
1B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1A.
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Wie in Figuren 1A und 1B gezeigt, wird eine
p-Typ-Halbleiterschicht 2 (im folgenden als eine p-Schicht bezeichnet) mit einer
Störstellenkonzentration von 3 x 10¹&sup6; (cm&supmin;³) auf einem p-Typ-
Halbleitersubstrat 1 (im Ausführungsbeispiel Si (100)) durch ein
CVD-Verfahren epitaxial aufgewachsen. Ein Photolack wird durch
ein Abdeck-Verfahren der Photolithographie an einer
vorbestimmten Position offengelegt. Phosphorionen (P) werden durch diese
Öffnung implantiert und ausgeheilt, um dadurch einen
n-Typ-Halbleiterbereich 3 zu bilden. In ähnlicher Weise wird ein Photolack
durch das Abdeck-Verfahren an einer vorbestimmten Position
offengelegt. Borionen (B) werden durch diese Öffnung implantiert
und ausgeheilt, um dadurch einen p-Typ-Halbleiterbereich 4 zu
bilden.
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Als nächstes wird Gd (ΦWk = 3,1 V) als ein Material mit
niedriger Austrittsarbeit, das als eine Schottky-Elektrode 5 dient,
durch eine Dampfabscheidung auf eine Dicke von 10 nm (100Å)
gebildet und bei 350ºC zehn Minuten lang thermisch verarbeitet,
wodurch GdSi&sub2; gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die
Barrierenhöhe ΦBp 0,7 V und man erhält eine gute Schottky-Diode.
Weiter werden SiO&sub2; und Polysilizium abgeschieden. Ein
Öffnungsabschnitt zum Emittieren von Elektronen wird unter Verwendung
der Photolithographietechnik gebildet. Eine
Herausführungselektrode 7 wird über eine SiO&sub2;-Schicht 6 mittels eines selektiven
Ätzverfahrens auf der Schottky-Elektrode 5 gebildet.
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Elektrode für einen ohmschen Kontakt, der
mittels Aluminium-Dampfabscheidung auf der gegenüberliegenden
Oberfläche des p-Typ-Halbleitersubstrats 1 gebildet wird.
Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Energieversorgung zum Anlegen
einer Sperr-Vorspannung Vd an den Abschnitt zwischen der Schottky-
Elektrode 5 und der Elektrode 8. Bezugszeichen 10 bezeichnet
eine Energieversorgung zum Anlegen einer Spannung Vg an den
Abschnitt zwischen der Schottky-Elektrode 5 und der
Herausführungselektrode 7.
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Beim vorstehenden Aufbau tritt die Lawinenverstärkung durch
Anlegen der Sperr-Vorspannung Vd an die Schottky-Diode an der
Grenzfläche zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 und der
Schottky-Elektrode 5 auf. Die resultierenden erzeugten schnellen
Elektronen durchqueren die extrem dünn gebildete
Schottky-Elektrode 5, werden in einen Vakuumbereich ausgestoßen und werden
durch das elektrische Feld mittels der Herausführungselektrode 7
zur Außenseite der Vorrichtung herausgeführt. Da ΔE durch die
Sperr-Vorspannung erhöht wird, ist es, wie vorstehend erwähnt,
gemäß dem Ausführungsbeispiel möglich, aus dem vorhergehenden
weiten Bereich ein beliebiges Material als ein Material mit
niedriger Austrittsarbeit auszuwählen, ohne auf Cs, Cs-O oder
dergleichen beschränkt zu sein, und das stabilere Material kann
verwendet werden. Andererseits, da die elektronenemittierende
Oberfläche als die Schottky-Elektrode des Materials mit
niedriger Austrittsarbeit aufgebaut ist, vereinfacht sich das
Verfahren zur Bildung der Oberflächenelektrode. Eine
elektronenemittierende Halbleitervorrichtung von hoher Zuverlässigkeit und
guter Stabilität kann hergestellt werden.
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Fig. 2 ist ein schematisches Aufbauschaubild des zweiten
Ausführungsbeispiels der elektronenemittierenden Halbleitervorrichtung
der Erfindung.
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Das zweite Ausführungsbeispiel ist zum Verhindern des
Nebensprechens zwischen den elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtungen des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel wird Al0,5Ga0,5As (Eg wird auf
ungefähr 1,9 gesetzt) verwendet, um den
Elektronenemissionswirkungsgrad zu erhöhen.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, wird eine p&spplus;-Schicht 13 aus Al0,5Ga0,5As
epitaxial aufgewachsen, während Be-Ionen von 10¹&sup8; (cm&supmin;³) in ein
halbisolierendes Substrat 12a aus GaAs (100) dotiert werden. Als
nächstes wird die p-Schicht 2 aus Al0,5Ga0,5As epitaxial
aufgewachsen, während Be-Ionen von 10¹&sup6; (cm&supmin;³) dotiert werden.
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Dann werden Be-Ionen unter Verwendung einer Energie von ungefähr
180 keV mittels eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) in die
tiefe Schicht implantiert, bis eine Störstellenkonzentration
einer p&spplus;&spplus;-Schicht 11 auf 10¹&sup9; (cm&supmin;³) gebracht ist. Be-Ionen werden
mit ungefähr 40keV in die relativ dünne Schicht implantiert bis
eine Störstellenkonzentration der p-Schicht 4 auf 5 x 10¹&sup7;
(cm&supmin;³) gebracht ist. Weiter werden Si-Ionen mit ungefähr 60 keV
implantiert bis eine Störstellenkonzentration der n-Schicht 3 auf
10¹&sup8; (cm&supmin;³) gebracht ist. Andererseits werden Protonen und
Borionen mit einer Beschleunigungsspannung von 200 keV oder höher
implantiert, wodurch ein Vorrichtungstrennbereich 12b gebildet
wird.
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Als nächstes werden ein Ausheilprozess bei 800ºC für 30 Minuten
in einem Luftstrom aus Arsenwasserstoff + N&sub2; + H&sub2; und ein
geeignetes Maskenverfahren durchgeführt. Danach wird BaB&sub6; (ΦWk =
3,4 eV) durch Dampfabscheidung auf eine Dicke von ungefähr 10 nm
(100 Å) gebracht und bei einer Temperatur von 600 ºC für 30
Minuten ausgeheilt, wodurch die Schottky-Elektrode 5 gebildet wird.
In ähnlicher Weise, wie bei dem in Figuren 1A und 1B gezeigten
ersten Ausführungsbeispiel, wird die Herausführungselektrode 7
gebildet und wird schließlich die
Oberflächenoxidationsbehandlung
zum Oxidieren von 1/3 der Oberfläche des BaB&sub6; durchgeführt,
wodurch BaO (ΦWk = 1,8) gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist
die Barrierenhöhe ΦBp gleich 0,9 V und es wird eine gute
Schottky-Charakteristik erhalten. Eine elektronenemittierende
Halbleitervorrichtung, die eine höhere Stromdichte als die bei
Si haben kann, wird erhalten.
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Gemäß dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel kann bei
einer Bildung einer Anzahl von elektronenemittierenden
Vorrichtungen auf dem Substrat durch Isolieren der Vorrichtungen ein
Nebensprechen zwischen den Vorrichtungen verringert und jede
Vorrichtung unabhängig getrieben werden. Andererseits wird durch
Verwenden eines Verbindungshalbleiters mit großem Bandabstand
als einem Halbleiter und durch Verwenden von Bor als der
Oberfläche eine gute Schottky-Elektrode, bei der die Hafteigenschaft
extrem gut, die Austrittsarbeit niedrig und die
Schottky-Barriere groß ist, gebildet und der Elektronenemissionswirkungsgrad
kann erhöht werden.
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Figuren 3A und 3B sind schematische Aufbauschaubilder in dem
Fall, bei dem eine Anzahl von elektronenemittierenden
Halbleitervorrichtungen des zweiten Ausführungsbeispiels auf einer
Linie gebildet sind. Fig. 3A ist eine Draufsicht und Fig. 3B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 3A.
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Eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3A ist die
gleiche wie die bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten
Ausführungsbeispiel. Andererseits, da der Aufbau der
elektronenemittierenden Halbleitervorrichtung ähnlich dem des zweiten
Ausführungsbeispiels ist, sind ihre genauen Beschreibungen weggelassen.
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Wie in Figuren 3A und 3B gezeigt, sind p&spplus;-Schichten 4a bis 4h,
Schottky-Elektroden 5a bis 5h und die Vorrichtungstrennbereiche
12b durch ein Ionenimplantationsverfahren in und auf dem
halbisolierenden GaAs-Substrat (100) einzeln gebildet.
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Im vorstehenden Aufbau sind eine Anzahl von
elektronenemittierenden Halbleitervorrichtungen, wie durch 4a bis 4h gezeigt, in
den elektronenemittierenden Abschnitten auf einer Linie
gebildet. Durch einzelnes Anlegen der Sperrvorspannungen an eine
Anzahl von Elektroden, die mit 5a bis 5h bezeichnet sind, kann
jede Elektronenquelle unabhängig gesteuert werden.
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Wie vorstehend genau beschrieben, wird gemäß den
elektronenemittierenden Halbleitervorrichtungen der Ausführungsbeispiele die
Schottky-Diode durch Verbinden der Schottky-Elektrode mit dem p-
Typ-Halbleiter gebildet und der Übergang der Diode wird in
Sperrichtung vorgespannt. Somit kann der Vakuumpegel EVAC auf einen
niedrigeren Energiepegel als das Leitungsband EC des
p-Typ-Halbleiters gesetzt werden. Ein größerer Energieunterschied ΔE als
der bei der herkömmlichen Vorrichtung kann leicht erhalten
werden. Weiter werden durch Bewirken einer Lawinenverstärkung eine
Anzahl von Elektronen als Minoritätsträger im p-Typ-Halbleiter
erzeugt und der Emissionsstrom wird erhöht. Weiter können durch
Umwandeln der Elektronen in schnelle Elektronen mittels Anlegen
eines hohen elektrischen Feldes an die dünne Verarmungsschicht
die Elektronen leicht in das Vakuum herausgeführt werden.
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Andererseits, da ein Material, dessen Austrittsarbeit ΦWk größer
ist als die bei Cäsium oder dergleichen, als das
Schottky-Elektrodenmaterial verwendet werden kann, ist ein Auswahlbereich des
Oberflächenmaterials wesentlich größer als beim herkömmlichen
Fall. Ein großer Elektronenemissionswirkungsgrad kann unter
Verwendung des stabilen Materials erhalten werden.
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Andererseits können bei der Herstellung der
elektronenemittierenden Vorrichtung die herkömmliche Halbleiterbildungstechnik
und die Dünnfilmbildungstechnik verwendet werden. Deshalb ergibt
sich dahingehend ein Vorteil, daß die elektronenemittierende
Halbleitervorrichtung der Erfindung unter Verwendung bestehender
Techniken mit einer hohen Genauigkeit billig hergestellt werden
kann.
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Die elektronenemittierende Halbleitervorrichtung der Erfindung
wird bevorzugt in einer Anzeige, einer
Elektronenstrahl-Zeichenvorrichtung und einer Vakuumröhre verwendet und kann ebenso bei
einem Elektronenstrahldrucker, einem Speicher und dergleichen
angewendet werden.