FR2573575A1 - Tube a rayons cathodiques presentant un piege a ions - Google Patents

Abstract

DES IONS POSITIFS ENGENDRES DANS UN TUBE A VIDE 1 ET POUVANT AFFECTER L'EMISSION DES ELECTRONS D'UNE CATHODE 3 SONT EN MAJEURE PARTIE CAPTES PAR UNE GRILLE-ECRAN AU DIAPHRAGME 5 QUI FAIT PARTIE D'UNE LENTILLE ELECTRONIQUE POSITIVE 4, 5. DANS LE CAS D'UNE CATHODE SEMI-CONDUCTRICE A REGION D'EMISSION CIRCULAIRE 13 D'UN DIAMETRE SUPERIEUR A CELUI DE L'OUVERTURE DE LA GRILLE-ECRAN 5, CETTE REGION D'EMISSION 13 N'EST ATTEINTE QUE PAR DES IONS POSITIFS ENGENDRES DANS UNE PETITE PARTIE ENTRE LA CATHODE 3 ET UNE PREMIERE GRILLE 4. CES IONS PRESENTENT EN OUTRE UNE ASSEZ FAIBLE ENERGIE, DE SORTE QUE LE COMPORTEMENT D'EMISSION N'EST GUERE ATTAQUE PAR LA PULVERISATION EVENTUELLE DES IONS POSITIFS DU MATERIAU CATHODIQUE 33, COMME DU CESIUM.

Description

PHN 11.206 1

"Tube à rayons cathodiques présentant un piège à ions" L'invention concerne un dispositif servant à la prise ou la reproduction de vues comportant un tube à rayons cathodiques muni d'une enveloppe vidée d'air dans laquelle sont disposées une cible et une cathode, dispositif qui est en outre muni de moyens pour former une lentille électronique positive, de concert avec la cathode, une première grille et une grille-écran munie d'une ouverture permettant la transmission d'électrons émis par la cathode. Dans un dispositif servant à la prise de vues, le tube à rayons cathodiques est un tube de caméra et la cible est une couche photosensible, par exemple une couche photoconductrice. Dans un dispositif servant à la reproduction de vues, le tube à rayons cathodiques peut être un tube d'images, alors que la cible peut être une configuration de lignes ou de points en matériau luminescent. Un tel dispositif peut également être conçu pour des

applications électromicroscopiques ou électrolithographiques.

La demande de brevet néerlandais No 7905470 décrit un tube à rayons cathodiques muni d'une cathode "dite froide". Le fonctionnement de cette cathode est basé sur la sortie d'électrons d'un corps semiconducteur dans lequel une jonction pn fonctionne dans la direction de blocage de façon qu'il en résulte une multiplication par avalanche de porteurs de charge. Ainsi, plusieurs électrons peuvent acquérir autant d'énergie cinétique qu'il est nécessaire pour déplacer le potentiel de sortie des électrons; ces électrons se dégagent alors à la surface principale du corps

semiconducteur et fournissent donc un courant d'électrons.

Du fait qu'il subsiste toujours des gaz résiduels dans l'enveloppe vidée d'air, des ions négatifs et positifs sont dégagés par le courant d'électrons de ces gaz résiduels. Les ions négatifs sont accélérés dans la direction de la cible. Dans le cas d'une déviation électrostatique, ils peuvent atteindre une petite zone de la cible et provoquer des endommagements ou perturber son

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fonctionnement. Afin d'éviter cet effet nuisible, on utilise des pièges à ions. Une piège à ions pour des ions négatifs est connue entre autres du brevet des Etats-Unis d'Amérique N

2,913,612.

Une partie des ions positifs se déplace dans la direction de la cathode sous l'influence des champs d'accélération et de focalisation se produisant dans le tube. En l'absence de dispositions spéciales, une partie en atteint le

semiconducteur et y provoque des endommagements.

Ces endommagements peuvent se traduire par une disparition régulière par pulvérisation d'une couche éventuellement présente constituée par du matériau réducteur du travail de sortie des électrons, comme par exemple du césium. Une répartition, voire une disparition totale de ce matériau, se traduit par un changement des propriétés d'émission de la cathode. En l'absence de cette couche (ou si cette dernière est entièrement disparue par suite du susdit mécanisme de pulvérisation), la surface

principale du corps semiconducteur risque même d'être attaquée.

Dans le cas d'une cathode semiconductrice à base de multiplication par avalanche de porteurs de charge comme décrite dans la demande de brevet néerlandais N 7905470 o la jonction émissive pn s'étend parallèlement à la surface principale et en est séparée par une mince couche superficielle de type n, il est possible que cette zone superficielle disparaisse entièrement par suite de cette pulvérisation régulière, de sorte que la cathode ne peut plus fonctionner. Dans une cathode froide du genre analogue décrite dans la demande de brevet néerlandais N 7800987 au nom de la Demanderesse mise à la disposition publique le 31 juillet 1979, la jonction pn se trouve découverte à la surface principale du corps semiconducteur. Par suite de l'effet nuisible décrit ci-dessus, des ions positifs présents dans le tube électronique, l'endroit o la jonction pn est découverte à la surface principale peut subir des

variations. Il en résulte un comportement d'émission instable.

Dans le tube à rayons cathodiques du deuxième genre o une jonction pn fonctionne dans le sens direct dans la cathode semiconductrice, la cathode dite à affinité électronique négative, le comportement d'émission est également influencé

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par pulvérisation. Ici aussi, la couche en matériau réducteur du travail de sortie des électrons disparaît également par pulvérisation régulière. Ensuite, la zone superficielle de type pn de la cathode est attaquée jusqu'à ce que la cathode ne fonctionne plus longtemps. Des problèmes analogues se produisent dans le cas d'autres cathodes semiconductrices comme par exemple la cathode semiconductrice décrite dans les demandes de brevet britannique

No 8133501 et 8133502.

Il s'avère que par suite des susdits processus, la durée de vie de tubes à rayons cathodiques réalisés avec de

telles cathodes semi-conductrices est notablement réduite.

L'invention vise à fournir un dispositif du genre mentionné dans le préambule o ces inconvénients sont entièrement ou partiellement éliminés du fait que les ions

positifs sont en majeure partie captés par ladite grille-écran.

Un dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce que la cathode est munie d'un corps semiconducteur présentant une région émettant des électrons située sur la surface principale et, vue en projection, dans la direction de l'axe du tube à rayons cathodiques, à l'extérieur de l'ouverture ménagée dans la grille-écran, et en ce que l'ouverture dans la grille-écran est plus petite que l'ouverture

ménagée dans la première grille.

L'invention est basée sur l'idée que, grâce à cette disposition, seule une petite partie des ions positifs engendrés dans la partie de tube située au-delà de la grille-écran atteint la cathode. De plus, elle est basée sur l'idée que dans le cas de cathodes semiconductrices présentant une géométrie choisie de façon appropriée de la partie émissive, les ions transmis par la grille-écran n'atteignent pas cette partie émissive, alors que

seule une fraction des ions engendrés entre la cathode et la grille-

écran, qui présentent en outre une faible énergie, contribue au

susdit effet de pulvérisation.

Dans une telle réalisation, l'influence d'ions d'énergie élevée, qui sont engendrés au-delà de la lentille

électronique, est pratiquement entièrement négligeable.

Une telle cathode semiconductrice peut en outre

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avantageusement être réalisée de façon que les électrons soient entièrement émis à partir d'un cross-over circulaire, présentant un faible étalement autour d'un angle donné, ce qui est avantageux du point de vue optique électronique. Du fait que les électrons se déplacent pour ainsi dire le long de la surface d'un cône, la luminance électronique est moins réduite par des

lentilles présentant une aberration sphérique. -

De préférence, on utilise à cet effet une cathode semiconductrice comme décrite dans ladite demande de brevet N 7905470, mais également d'autres cathodes semiconductrices, comme par exemple les cathodes à affinité électronique négative ou les cathodes décrites dans ladite demande de brevet N 7800987 ou les

demandes de brevet britannique N 8133501 et 8133502.

La description ci-après, en se référant aux dessins-

annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera

bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 représente schématiquement une partie d'un dispositif conforme à l'invention et La figure 2 représente partiellement en section transversale, partiellement en plan, une cathode semiconductrice

convenant à un tel dispositif.

Les figures ne sont pas représentées en échelle et pour la clarté des dessins, dans la section transversale, notamment les dimensions dans la direction de l'épaisseur sont fortement exagérées. Des zones semiconductrices du même type de conduction sont en général hachurées dans la même direction; sur les figures, les pièces correspondantes sont en général désignées

par les mêmes chiffres de référence.

La figure 1 montre une partie d'un tube à rayons cathodiques 1 présentant une enveloppe 2 dans laquelle est appliquée une cathode 3, dans cet exemple une cathode semiconductrice, dans laquelle l'émision d'électrons par multiplication par avalanche d'électrons dans une jonction pn bloquée. Le tube à rayons

cathodiques comporte en outre une première grille 4 et une grille-

écran 5 qui, une fois connectée aux tensions requises, constituent, de concert avec la cathode, une lentille positive du point de vue électronique optique. La partie non représentée du tube à rayons

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cathodiques 1 est munie d'une cible, alors que les moyens usuels peuvent être utilisés en outre pour dévier un faisceau d'électrons 6 engendré dans la cathode 3. Les régions émettant des électrons sont représentées schématiquement sur la figure 1 à l'aide des chiffres de référence 13. Dans cet exemple, des électrons sont engendrés dans la cathode semiconductrice 3 suivant une configuration annulaire. A cet effet, la cathode 3 est constituée par un corps semiconducteur 7 (voir la figure 2) présentant un substrat de type p 8 en silicium, dans lequel est appliquée une région de type n 9, 10, qui est constituée par une zone de diffusion profonde 9 et une mince zone n 10 à l'endroit de la région d'émission proprement dite. Afin de réduire, dans cette région, le claquage de la jonction p-n entre le substrat de type p 8 et la zone de type n 9, 10, la concentration en accepteurs est localement augmentée dans le substrat à l'aide

d'une région de type p 11 appliquée par implantation d'ions.

L'émission d'électrons s'effectue par conséquent dans la zone annulaire 13 découverte par rapport à la couche isolante, o la surface émettant des électrons est en outre munie d'une couche mono-atomique en matériau réducteur du potentiel de sortie d'électrons 33, comme du césium. Sur cette couche isolante 12 en oxyde de silicium par exemple peut être appliquée au besoin une électrode 14 afin d'accélérer ou de dévier les électrons sortis; une telle électrode peut également être utilisée pour protéger le corps semiconducteur sousjacent contre des effets de charge pouvant se produire lorsque le corps est atteint par des ions positifs ou des électrons déviés. Le substrat 8 est connecté par exemple par l'intermédiaire de la zone de type p à dopage élevé 16 et une métallisation 17, alors que la région de type n est connectée par l'intermédiaire d'une métallisation de contact non représentée sur le dessin. A l'état monté, les régions à connecter (voir la figure 1) sont reliées par exemple par l'intermédiaire de fils de connexion 24 à des traversées 25

de la paroi 2. Pour une description plus détaillée de la cathode

semiconductrice 3, il y a lieu de se référer à ladite demande

de brevet néerlandais NO 7905470.

Les électrons engendrés par la cathode 3 sont

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accélérés dans la lentille électronique positive formée par les grilles 4 et 5 et la cathode 3. Du fait que, lors de l'utilisation, la grille 4 présente une tension basse, voire négative, et la grille-écran 5 (diaphragme) présente une tension positive, du point de vue électronique optique, ces grilles et la cathode constituent une lentille positive, qui provoque la convergence du faisceau d'électrons annulaire engendré dans la zone 13 en un cross-over 22. Ce cross-over, qui se trouve à peu près à l'endroit de l'ouverture dans la grille-écran 5 (diaphragme) fait office de source réelle pour le faisceau d'électrons proprement dit, qui est ensuite dévié, par exemple à l'aide de moyens

électro-magnétiques. -

Le cross-over 22 présente une certaine dimension à l'endroit de l'ouverture dans la grille-écran 5. Cette dimension

détermine un diamètre minimal de l'ouverture dans la grille-

écran 5, alors que le diamètre maximal est déterminé par le diamètre interne de la région annulaire 13 o s'effectue l'émission d'électrons et qui est d'environ 200 micromètres

dans cet exemple.

Dans le présent exemple, la grille 4 fonctionne sous une tension de O volt, alors que sur la grille-écran 5 est appliquée une tension de 265 volts. Le cross-over 22 présente un diamètre de à 50/um. Un diamètre de 100 micromètres est choisi par

exemple pour l'ouverture de la grille-écran 5.

Or, si dans le tube à vide 2, des ions positifs sont engendrés par collision d'électrons ou d'une autre façon, ces ions sont accélérés dans la direction de la cathode 3. La majeure partie des ions positifs est engendrée dans la partie 18 du tube 2 et ces ions sont accélérés suivant des trajectoires 20 par des champs électriques engendrés, dont les lignes de champ sont représentées schématiquement dans la partie de gauche de la figure 1 par des lignes 19. Comme il ressort de la figure 1, à peu près tous les ions engendrés dans le faisceau 6 à l'endroit de la face 21 sont accélérés à la grille-écran 5. Tous les ions positifs engendrés entre la face 21 dans le faisceau 6 et le cross-over 22 sont accélérés pratiquement parallèlement à l'axe 31 du tube, traversant l'ouverture de la grille-écran 5 et atteignent la cathode

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3 dans une région située dans la partie émissive proprement dite

et indiquée sur la figure 2 à l'aide des lignes pointillées 23.

Le comportement d'émission n'en est pas désavantageusement influencé, mais il est préférable de munir la cathode semiconductrice, comme dans le présent exemple, d'une électrode 15 protégeant le corps semiconducteur sous-jacent contre des effets de charge. Ainsi, l'électrode 15 est de préférence connectée à

une tension fixe ou variable.

Dans le présent exemple, des ions positifs engendrés à l'endroit de la face 32 dans le faisceau 6 atteignent la cathode en dehors de la région 13 ou pas du tout, comme il ressort de la figure 1. Dans le cas desdites tensions aux grilles 4, 5, il s'avère que seule une petite partie des ions engendrés à environ 100 micromètres atteind la partie émissive de la cathode, notamment la couche de césium avec des énergies d'environ 40 eV, de façon que l'effet désavantageux des ions positifs engendrés dans le tube soit limité à un faible degré de pulvérisation du césium et l'endommagement du cristal est empêché. Suivant les tensions se produisant aux grilles 4, 5, il peut se produire quelques variations

dans ladite distance et l'énergie.

La sensibilité de la cathode peut être réduite davantage par subdivision de la région émissive 13 en plusieurs régions séparées, comme il est décrit en détail dans la demande de brevet déposée simultanément PHN 11. 207. Comme il a été décrit dans ladite demande de brevet, une telle structure

augmente la stabilité de la cathode.

Comme il a été décrit dans le préambule, l'invention peutégalement être appliquée à un tube à vide présentant une cathode thermique. D'une façon analogue à celle décrite ci-dessus et pourvu que cette cathode, vue en projection, se

situe en partie à l'extérieur de l'ouverture de la grille-

écran 5, une partie de cette cathode ne subit pas d'influence désavantageuse d'ions positifs, ce qui se traduit par une plus

grande stabilité de l'émission électronique.

Evidemment, de nombreuses variantes sont possibles dans le cadre de la présente invention pour l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. C'est ainsi que plusieurs

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autres espèces de cathodes semiconductrices peuvent être choisies comme les susdites cathodes à affinité électronique négative ou celles décrites dans les demandes de brevet britannique N 8133501 et 8133502. De plus, au lieu de configurations circulaires, on peut choisir une ou plusieurs configurations linéaires pour la région 13

dans les dispositifs de reproduction.

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Claims (6)

REVENDICATIONS:

1. Dispositif servant à la prise ou la reproduction de vues comportant un tube à rayons cathodiques muni d'une enveloppe vidée d'air dans laquelle sont disposées une cible et une cathode, dispositif qui est en outre muni de moyens pour former une lentille électronique positive, de concert avec la cathode, une première grille et une grille-écran munie d'une ouverture permettant la transmission d'électrons émis par la cathode, caractérisé en ce que la cathode est munie d'un corps semiconducteur présentant une région émettant des électrons située sur la surface principale et, vue en projection dans la direction de l'axe du tube à rayons cathodiques, à l'extérieur de l'ouverture ménagée dans la grille-écran, et en ce que l'ouverture dans la grille-écran est

plus petite que l'ouverture ménagée dans la première grille.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région émettant des électrons est pratiquement annulaire et présente un diamètre interne qui est supérieur au diamètre de

l'ouverture de la grille-écran.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps semiconducteur comporte plusieurs régions émettant des électrons qui sont réparties d'une façon pratiquement homogène sur une configuration annulaire d'un diamètre interne

supérieur au diamètre de l'ouverture de la grille-écran.

4. Dispositif selon la revendication 1, 2, ou 3, caractérisé en ce que le corps semiconducteur présente au moins une jonction pn entre une région de type n confinant à la surface principale et une région de type p, l'application d'une tension dans le sens de blocage à la jonction pn dans le corps semiconducteur par multiplication par avalanche permettant d'engendrer des électrons, qui sortent du corps semiconducteur, alors que la surface est munie d'une couche électro-isolante, dans laquelle est ménagée au moins une ouverture et en ce que la jonction pn s'étend, au moins dans l'ouverture, essentiellement

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parallèlement à la surface principale et présente localement une plus faible tension de claquage que le reste de la jonction pn, la partie à tension de claquage plus faible de la surface étant séparée par une couche conductrice de type n d'une épaisseur et d'un dopage tels que, dans le cas de tension de claquage, la zone de désertion de la jonction pn ne s'étend pas jusqu'à la surface mais en est séparée par une couche superficielle qui est

suffisamment mince pour transmettre les électrons engendrés.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la couche isolante est appliquée à au

moins une électrode.

6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la surface principale dans l'ouverture de la couche isolante est munie d'une couche en matériau réducteur du

potentiel de sortie des électrons.