DE901792C - Speicherelektrode mit einer Halbleiterschicht fuer Bildsenderoehren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Speicherelektrode für Bildsenderöhren, die aus einer Halbleiterschicht besteht. Schirmelektroden für Bildsenderöhren mit einer Halbleiterschicht sind an sich bekannt, jedoch beruht die Wirkung einer solchen Schirmelektrode auf dem inneren Fotoeffekt, den der Halbleiter also außerdem aufweisen muß, während eine Speicherwirkung nicht vorhanden ist.

Es sind auch Bildsenderöhren mit und ohne Bildwandlerteil und mit doppelseitiger Mosaikelektrode bekannt. Diese doppelseitigen Mosaikelektroden, die aus über ioo ooo elektrisch voneinander getrennten Drähten bestehen, die durch die Elektrode hindurchgehen und von der Signalplatte, meist einem Netz, isoliert sind, sind außerordentlich schwierig herzustellen. Hinzu kommt noch, daß diese Mosaikelektroden, auch wenn sie überaus sorgfältig hergestellt sind, ein Störsignal erzeugen, welches durch die elektrische und mechanische Ungleichmäßigkeit der Elektrodenoberfläche entsteht.

Gemäß der Erfindung besteht dagegen eine Speicherelektrode mit einer Halbleiterschicht für Bildsenderöhren aus einer vorzugsweise aus Glas hergestellten Halbleiterplatte, die etwa so dick ist wie der halbe Durchmesser des Abtaststrahls und einen spezifischen Widerstand aufweist, der einen Ladungsausgleich zwischen beiden Seiten innerhalb einer Bildperiode ermöglicht, und daß in ihrer unmittelbaren Nähe,

jedoch mit einem Abstand von ihr, eine durchbrochen! Signalelektrode 20 angeordnet ist und die Halbleiterplatte auf der dem Bildwurf entgegengesetzten Seite von einem vorzugsweise aus langsamen, eine negative Aufladung hervorrufenden Elektronen bestehenden Kathodenstrahl· abgetastet wird.

Eine Bildsenderöhre mit einer solchen Speicherelektrode weist gegenüber den bekannten Röhren eine größere Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringen Verzerrungen auf. Durch die Verwendung eines Strahles aus langsamen Elektronen ergibt sich weiter in Verbindung mit der erhöhten Empfindlichkeit der Vorteil des Fehlens jeglichen Störsignals. Ferner ist die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Speicherelektrode ganz wesentlich einfacher als bei den bekannten doppelseitigen Mosaikelektroden.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Die in Abb. r dargestellte Bildsenderöhre enthält in einem Vakuumgefäß ι einen Elektronenstrahlerzeuger 2 und auf der gegenüberliegenden Seite eine halbdurchlässige Photokathode 3 und eine Speicherelektrode 4 zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger und der Photokathode, deren eine Seite von dem Elektronenstrahl abgetastet wird und auf deren anderer Seite sich ein Ladungsbild ausbildet. Dieses Ladungsbild kann auf der Rückseite der Speicherelektrode 4 durch den Bildwurf selbst erzeugt werden, oder der Bildwurf erfolgt auf die halbdurchlässige Photokathode 3, deren Emissionsbild auf der Speicherelektrode 4 abgebildet wird. Zwischen dem Strahlerzeuger 2 und der Speicherelektrode 4 ist ein Ablenkplattenpaar 11 angeordnet. Auf jeder Seite der Ablenkplatten befindet sich je eine mit einem Schlitz versehene Blende 12, 13. Das Ganze ist von einer leitenden Wandbelegung 14 umgeben. Die Ablenkplatten 11 sind mit einer Ablenkspannungsquelle und mit den Blenden 12, 13 und dem Wandbelag 14 über die Mittelanzapfung eines Widerstandes von 1 bis 10 Megohm verbunden. Zur Erzielung der gewünschten Ablenkung und Fokussierung ist ein die ganze Röhre durchsetzendes homogenes Längsmagnetfeld vorgesehen, welches von einer Magnetspule 15 mit etwas größerem Durchmesser als der des Vakuumgefäßes erzeugt wird, die sich über den Raum zwischen Elektronenstrahlerzeuger 2 und Speicherelektrode 4 hinaus erstreckt. In dem in Abb. ι dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Spule 15 noch über die Photokathode 3 hinaus, um die an der Photokathode ausgelösten Elektronen auf die Rückseite der Speicherelektrode 4 zu fokussieren. Es kann aber auch zwischen der Photokathode 3 und der Speicherelektrode 4 eine besondere kurze Spule angeordnet werden. Die von der Photokathode3 ausgehenden Elektronen werden durch das von der Wandbelegung 16 erzeugte elektrostatische Feld beschleunigt. Die Ablenkung in vertikaler Richtung wird magnetisch mittels der Spule 18 vorgenommen. Es kann aber auch ein zweites statisches Ablenkfeld vorgesehen werden.

Erfindungsgemäß besteht die Speicherelektrode aus einer sehr dünnen ungelochten Platte 19 aus einem Halbleiter, die, wie Abb. ι zeigt, in einer zur Längsachse des Vakuumgefäßes 1 und damit auch senkrecht zum Elektronenstrahl liegenden Ebene angeordnet ist. In unmittelbarer Nähe der Speicherplatte 19 und vorzugsweise auf der Rückseite der Platte ist eine Signalelektrode 20 vorgesehen, die nur einen sehr kleinen Abstand von der Rückseite der Halbleiterplatte hat. Abb. 2 zeigt einen Teil dieser Speicherelektrode vergrößert im Schnitt. Es ist deutlich die Halbleiterplatte 19 und die unmittelbar dahinter angeordnete Signalelektrode 20 zu erkennen. Der Elektronenstrahl hat den Durchmesser S und trifft auf die Vorderseite der Halbleiterplatte 19 auf. Die Auftreffläche ist mit A₁ die entsprechende Fläche auf der Rückseite der Halbleiterfläche 19 ist mit B bezeichnet. Die Dicke D der Platte 19 ist vorzugsweise kleiner als der halbe Durchmesser eines Bildelementes, d. h. kleiner als der halbe Durchmesser 5 des Elektronenstrahles.

Es wurde festgestellt, daß der spezifische Widerstand des Halbleiters zwischen io⁹ und io¹² Ohm · cm liegen kann. Vorzugsweise wird eine äußerst dünne homogene Glasplatte verwendet mit dem gewünschten spezifischen Widerstand. Die Platte muß glatt sein und eine einheitliche Dicke haben. Als besonders günstig hat sich eine dünne Glasplatte aus G-8-Glas erwiesen, die einen spezifischen Widerstand von etwa 5 · io¹⁰ Ohm · cm hat. Dieses Glas läßt sich zu sehr dünnen Schichten verarbeiten. _go

Bei der Herstellung dieses Teiles der Speicherelektrode kann das Glas geblasen werden, um eine sehr dünne Glasplatte zu bilden, welche auf einen Metalltragring 21 aufgelegt wird, wonach die Elektrode so aussieht, wie es Abb. 3 zeigt. Sie ist in der Mitte nach unten durchgebogen. Der Ring 21 wird dann sehr sorgfältig in einen Ofen gebracht, der so lange geheizt wird, bis sich das Glas in halbgeschmolzenem Zustand befindet, worauf die Oberflächenspannung der durchgebogenen Glasplatte bewirkt, daß sich eine im wesentlichen ebene Oberfläche bildet. Die netzförmige Signalelektrode 20 wird dann in unmittelbarer Nähe der Platte 19, z. B. mittels eines Springringes (Abb. 4), wobei der Metallring 22 die Signalelektrode 20 trägt, angebracht. Erfindungsgemäße Speicherelektroden wurden mit einer Glasplattendicke von weniger als 0,005 mm hergestellt, was weniger als ein viertel der Dicke der bei den bekannten Mosaikelektroden verwendeten Glimmerplatten ist. Nach dem Zusammenbau der Halbleiterplatte 19 und der Signalelektrode 20 werden diese in die Röhre, wie sie Abb. 1 zeigt, eingebracht, und die Signalelektrode wird elektrisch mit der ersten Verstärkerstufe verbunden. Die Wandbelegung 16 ist mit einer Hilfsspannungsquelle verbunden, die diese Wandbelegung etwas negativ gegenüber der Signalelektrode 20 vorspannt. Diese Elektroden können aber auch mit dem gleichen Potential betrieben werden. Im Betriebe werden die schnellen Bildelektronen auf die Rückseite der dünnen Speicherplatte 19 fokussiert und bilden dort ein iao positives Ladungsbild, da für diese Elektronen der Sekundäremissionsfaktor größer als 1 ist. Ein Bildelement dieses Ladungsbildes zeigt die mit B bezeichnete Fläche in Abb. 2. Ein positives Ladungsbild auf der Speicherplatte 19 kann auch auf andere Weise hergestellt werden, z. B. durch Abtasten der Rückseite

der Platte mit einem modulierten Elektronenstrahl aus Elektronen hoher Geschwindigkeit oder mittels einer nicht zusammenhängenden Schicht aus Cäsium oder aus einem anderen lichtempfindlichen Stoff, auf die der Bildwurf folgt. Die Vorderseite der Speicherplatte 19 wird mit einem Elektronenstrahl abgetastet, wobei die Flächenelemente, z. B. das mit A bezeichnete der Fläche B gegenüberliegende, von dem Strahl Elektronen zugeführt bekommen.

Die erfindungsgemäße Speicherelektrode arbeitet im einzelnen wie folgt: Es sei zunächst angenommen, daß auf der Rückseite der Speicherelektrode kein elektrostatisches Bild vorhanden sei und daher auf dem Flächenelement B sich die Ladung Null befindet.

Der Abtaststrahl lädt dann, wenn er aus langsamen Elektronen besteht, das Flächenelement A in negativer Richtung auf das Kathodenpotential auf, so daß keine weiteren Elektronen des Strahles mehr das Flächenelement A erreichen können und auf die Signalelektrode 20 kein Signal übertragen wird. Es sei nun angenommen, daß beispielsweise von der Kathode 3 herkommende Bildelektronen die Oberfläche der Platte 19 gegenüber A mit solcher Geschwindigkeit treffen, daß dort mit Hilfe der Sekundäremission eine Aufladung in positiver Richtung stattfindet. Die Ladung von B kann dauernd dadurch aufrechterhalten werden, daß man die Signalelektrode 20 gegenüber der Photokathode 3 genügend positiv macht, damit sie in der Lage ist, die Sekundärelektronen aufzunehmen.

Da die Fläche B positiv ist, ist der Raum um B einschließlich eines Flächenelementes der netzförmigen Signalelektrode 20 durch Influenz ebenfalls positiv. In unmittelbarer Nähe von B liegende Punkte haben im wesentlichen das gleiche Potential wie B, was besonders für die der unmittelbar B gegenüberliegende Fläche A auf der Abtastseite der Speicherelektrode gilt. Ein Teil der Elektronen des über die Fläche A hinwegstreichenden Abtaststrahles ist daher imstande, die Platte zu erreichen, und kompensiert die Ladung auf der Fläche A so lange, bis das Potential der Kathode erreicht ist. Während der folgenden Bildperiode und vor der nächsten Abtastung der Fläche A durch den Elektronenstrahl gleichen sich die

■ positive Ladung auf B und die negative Ladung auf A wegen der Leitfähigkeit der Halbleiterplatte aus, so daß beide Flächen A und B wieder ihren ursprünglichen ungeladenen Zustand erreichen. Bei geeigneter Wahl des spezifischen Widerstandes des Halbleiters fließt nur ein sehr kleiner Querstrom von Flächenelement zu Flächenelement. Wenn jedoch der spezifische Widerstand zu hoch ist, z. B. io¹³ Ohm · cm oder mehr, ist die Neutralisation der Ladungen der beiden Seiten der Platte 19 während einer einzigen Bildperiode noch nicht beendet, und die Ladungsbildseite oder Rückseite der Platte 19 neigt dazu, sich auf das Potential der Signalelektrode aufzuladen. Wenn jedoch der Halbleiter einen geeigneten spezifischen Widerstand hat, wird die Ladung des Flächenelementes B von der Ladung des Flächenelementes A während einer einzigen Bildperiode kompensiert.

Beim Arbeiten mit der erfindungsgemäßen Speicherelektrode wurden vier Bedingungen festgestellt, die erfüllt sein sollten, wenn einwandfreie Fernsehbilder mit großer Signalstärke und ohne Störsignal übertragen werden sollen. In erster Linie muß die Entladungsdauer zwischen beiden Seiten der Speicherelektrode gleich einer Bildperiode sein. Zweitens muß die Kapazität zwischen den beiden Oberflächen des Halbleiters so groß wie möglich sein und vorzugsweise mehrmals größer als die Kapazität zwischen der Bildseite der Speicherelektrode und der Signalelektrode. Diese Kapazitätsbeziehung bewirkt, daß ein verhältnismäßig großer Teil der Bildladung in das Bildsignal umgesetzt wird. Der ausgenutzte Bruchteil des Ladungsbildes ist durch die Gleichung

■ΆΒ

Cab +

gegeben, in welcher C^b die Kapazität zwischen den Flächen A und B und C₀₂₀ die Kapazität zwischen der Fläche B und der Signalelektrode 20 bedeutet. Durch den außerordentlich kleinen Abstand zwischen der Signalelektrode 20 und der Halbleiterplatte 19 ist die Kapazität zwischen B und irgendeinem anderen Leiter als der Signalelektrode 20 vernachlässigbar klein. Die dritte Bedingung ist, daß die Dicke des Halbleiters kleiner als der halbe Durchmesser eines Bildelementes und der Abstand zwischen Halbleiter und Signalelektrode 20 kleiner als ein Bildelement ist, um die elektrostatische Influenz eines Bildelementes go auf der Bildseite auf das entsprechende Element auf der Abtastseite zu beschränken. Die vierte Bedingung fordert, daß die Zeitkonstante für den Ladungsausgleich in der Querrichtung gleich oder größer als eine Bildperiode ist. Diese Bedingung kann mathematisch in folgende Form gekleidet werden:

ι.

π Dt =

Hierin bedeuten:

q = spezifischer Widerstand der Speicherplatte in Ohm · cm,

E = Fläche eines Bildelementes in Quadratzentimeter,

C = Kapazität zwischen der Bildseite der Speicherplatte und der Signalelektrode in F/Quadratzentimeter,

D = Dicke der Speicherplatte in Zentimeter.
Als besonders günstig haben sich folgende Werte erwiesen:

q = 5 · io¹⁰ Ohm · cm,
E = io⁴ cm²,
C = io¹⁰ F/cm²,
D — io~³ cm,

t = ¹I₃₀ Sekunde.

Von den bekannten doppelseitigen Mosaikelektroden, die aus einem mit Emaille überzogenen Drahtnetz bestehen, in welches Metalldrähte hineingesteckt sind, unterscheidet sich die erfindungsgemäße Speicherelektrode dadurch, daß die durch die Elektrode hindurchgehenden Drähte fehlen. Bei der bekannten Mosaikelektrode ist es notwendig, den Widerstand zwischen den Drähten und dem eingebetteten Netz zur Vermeidung eines Kriechweges zwischen Netz und Drähten außerordentlich hoch zu machen. Ein solcher Kriechweg wird bei der erfindungsgemäßen Elektrode

gänzlich vermieden, da es sich als nachteilig herausgestellt hat, irgendeine leitende Verbindung zwischen der Halbleiterplatte 19, die homogen sein muß, und irgendeiner anderen Elektrode, z. B. der Signalelektrode 20, herzustellen. Die Signalelektrode 20 ist von der Halbleiterplatte 19 isoliert.

Von den bekannten Mosaikelektroden mit Glimmerdielektikum unterscheidet sich die erfindungsgemäße Speicherelektrode durch ihren Widerstand, da der Widerstand von Glimmer in der Größenordnung von io²⁰ Ohm · cm liegt. Die erfindungsgemäße Elektrode ist daher mit den bekannten Elektroden nicht vergleichbar. Dies wurde noch durch Versuche erhärtet, bei denen die Speicherplatte aus einer Glimmerplatte bestand, die auf der einen Seite durch einen Abtaststrahl aus langsamen Elektronen abgetastet wurde, während sich das Ladungsbild auf der anderen Seite befand. Nach wenigen Bildperioden bereits hatten sich die Flächenelemente dieser Speicherplatte bis auf

so die Höhe des Potentials der Sammelelektrode für die Sekundärelektronen aufgeladen, so daß ein weiterer Betrieb dieser Röhre nicht möglich war.

Mit einer erfindungsgemäßen Bildsenderöhre gelang es, eine drei- bis zehnmal höhere Empfindlichkeit zu erreichen, als sie die bekannten Röhren mit einem Abtaststrahl aus langsamen Elektronen haben, welche wiederum zehn- bis fünfzigmal empfindlicher als die unter dem Namen Ikonoskop bekannten Bildsenderöhren sind, die einen Abtaststrahl aus schnellen Elektronen verwenden. Daher beträgt die Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Bildsenderöhre, wenn sie mit einem Elektronenstrahl aus langsamen Elektronen betrieben wird, das Dreißig- bis Fünfhundertfache der Empfindlichkeit der unter dem Namen Ikonoskop bekannten Röhre.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Speicherelektrode mit einer Halbleiterschicht für Bildsenderöhren, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer vorzugsweise aus Glas hergestellten homogenen Halbleiterplatte (19) besteht, die etwa so dick ist wie der halbe Durchmesser (8) des Abtaststrahls, und einen spezifischen Widerstand aufweist, der einen Ladungsausgleich zwischen beiden Seiten innerhalb einer Bildperiode ermöglicht, und daß in ihrer unmittelbaren Nähe, jedoch mit einem Abstand von ihr, eine durchbrochene Signalelektrode (20) angeordnet ist und die Halbleiterplatte auf der dem Bildwurf entgegengesetzten Seite von einem vorzugsweise aus langsamen, eine negative Aufladung hervorrufenden Elektronen bestehenden Kathodenstrahl abgetastet wird.

2. Speicherelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwurfseite mit einer großen Anzahl lichtempfindhcher Elemente bedeckt ist.

3. Bildsenderöhre mit einer Speicherelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vorgeschalteten Bildwandler.

4. Bildsenderöhre mit einer Speicherelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwurfseite durch einen zweiten modulierten Elektronenstrahl abgetastet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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