IT8224057A1 - Dispositivo semiconduttore per l'emissione di elettroni e apparecchiatura comprendente tale dispositivo semiconduttore - Google Patents

Description

DOCUMENTAZIONE

RILEGATA

'??? 32.828

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"DISPOSITIVO SEMICONDUTTORE PER L'EMISSIONE DI

ELETTRONI E APPARECCHIATURA COMPRENDENTE TALE DISPO-SITIVO SEMICONDUTTORE"

a nome: N.V. PHILIPS* GLOEILAMPENFABRIEKEN

a : Eindhoven (Paesi Bassi)

di nazionalit? Paesi Bassi, elettivamente domiciliata a Milano, Via Dogana 1, presso il Mandatario Ufficio Brevetti Ing? C. Gregorj

depositata li - 3 NOV.1982 Nr. 24057 A/ 82

?o?o?o?

RIASSUNTO

Una sorgente di elettroni, presentante un bre > UJ ? UJ (E OC ve tempo di risposta, comprende almeno una struttura ? 0

-n-?-n (e, possibilmente, una schiera di dette strut aov

ture n-?-n), formate in un corpo di silicio, o di

altro materiale semiconduttore (10), per mezzo di

?

jr

una prima regione di tipo ? (1) tra una seconda regione ed una terza regione (2 e 3), di tipo n. Gli

elettroni (24) vengono generati nella struttura n-?-n

(2, 1,3) per l'emissione in uno spazio libero (20)

da un'area superficiale (4) del corpo (10), dopo la circolazione dalla secondo,regione (2) attraverso la

prima regione e la terza regione (l e 3). La struttura n-?-n (2, 1, 3) presenta connessioni elettrodiche

(12 e 13) soltanto per la seconda regione e la terza regione (2 e 3) di tipo n. La prima regione (1) forma una regione a barriera in grado di limitare il flusso di elettroni dalla seconda regione (2) alla terza regione (3) finch? viene applicata una differenza di potenziale, fra le connessioni elettrodiche (12 e 13) sufficiente a polarizzare la terza regione (3) positivamente rispetto alla seconda regione (2) ed in. modo tale da stabilire un'alimentazione di elettroni fortemente eccitati (24) iniettati nella terza regione (3) con una energia sufficiente a vincere il lavoro di estrazione degli elettroni fra l'area superficiale (4) e lo spazio libero (20). La regione di barriera (1) forma strati di esaurimento con la seconda regione e la terza regione (2 e 3), di tipo n e la stessa viene esaurita fondendo fra di loro questi strati di esaurimento quando detta differenza di potenziale viene applicata, allo scopo di stabilire detta alimentazione di elettroni fortemente eccitati (24). La struttura n-?-n pu? essere formata in una porzione ad altipiano, o "mesa" (9) del corpo (10), in corrispondenza di una finestra praticata in uno strato di isolamento (11), in modo tale da formare un complesso compatto al quale si associano capacit? molto basse? Le sorgenti di elet? J ing. u

troni possono venire impiegate in tubi a raggi catodici, in dispositivi di visualizzazione ed anche in apparecchiature elettroniche di tipo litografico? (figura 1)?

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo semiconduttore per l'emissione di elettroni, comprendente un corpo semiconduttore presentante, nel c?rpo semiconduttore, una struttura n-?-n costituita da una prima regione di tipo ? fra una seconda regione di tipo n ed una terza regione di tipo n, in cui gli elettroni possono venire generati, in detta struttura n-?-n e possono venire emessi da una regione superficiale del corpo semiconduttore dopo la circolazione dalla seconda regione alla prima regione ed alla terza regione, per emettere un flusso di elettroni, costituente, in particolare, ma non esclusivamente, una sorgente di elettroni a rapida risposta. L'invenzione si riferisce pure ad una apparecchiatura comportante l'impiego di un dispositivo semiconduttore di questo tipo e costituita, ad esempio, da tubi a raggi catodici, da dispositivi di ripresa delle immagini, da dispositivi di visualizzazione o da dispositivi per litografia elettronica.

Nel brevetto U.K. N. 830.086 ? stato descritto Ing. C. GREGOfU un dispositivo semiconduttore comprendente un corpo semiconduttore ed una struttura n-]>-n formata, nel corpo, da ima prima regione di tipo ? fra una seconda regione ed una terza regione, di tipo n. Gli elettroni vengono generati in detta struttura n-?-n per l'emissione nello spazio libero, da un'area superficiale di detto corpo, dopo la circolazione dalla seconda regione, attraverso la prima regione e la terza regione? Un vantaggio di queesta struttura n-j>-n, uno specifico esempio della quale ? stato illustrato nella figura 3 di GB-A 830.086, ? rappresentato dal fatto che la sorgente di elettroni pu? essere fatta funzionare con livelli di tensione al di sotto di quelli necessari per provocare una rottura; vale a dire un "breakdawn? a valanga del semiconduttore. Esempi di altre sorgenti di elettroni presentanti una semplice struttura 2,-n ma operanti secondo la caratteristica di rottura a valanga, sono stati descritti in GB-A 830.086.

Ogni regione della struttura n-jv-n descritta in GB-A 830.086, presenta un elettrodo collegato ad un alimentatore di tensione, per il funzionamento della struttura in modo analogo ad un transistore. La prima giunzione 2rH? disposta fra la seconda regione e la prima regione, ? polarizzata in senso di

Ing. C. GREGORi retto, come si verifica per una giunzione di emettitore. La seconda giunzione ?-n fra la prima regione di tipo ? e la terza regione di tipo n, risulta polarizzata in senso inverso, come si verifica per lina giunzione di collettore. Deve essere rilevato che si verifica la circolazione di una piccola corrente di saturazione attraverso la seconda giunzione ?-n in assenza di iniezioni di elettroni dalla prima giunzione ?-n. Gli elettroni iniettati nella regione di tipo ? si diffondono attraverso la regione di tipo ? e vengono accelerati in modo tale da acquisire energie di livello elevato per effetto della caduta di potenziale attraverso la seconda giunzione ?-n. Utilizzando una sottilissima terza regione di tipo n, rivestita di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni, alcuni di questi elettroni possono sfuggire nello spazio libero prima di cedere la loro energia al reticolo. La quantit? di elettroni emessi nello spazio libero, viene regolata variando la tensione dell'alimentatore di tensione, applicata ai capi della prima giunzione ?-n, fra la seconda regione e la prima regione.

Tuttavia, una sorgente di elettroni, a conduttivit? di tipo n-?-n, in accordo con quanto descritto in GB-A 830.086, presenta parecchi svantaggi.

Ino. C GREGORJ

Gli elettroni iniettati nella regione di tipo ? ed i buchi iniettati nella seconda regione di tipo n, costituiscono portatori di carica minoritari che conducono a ritardi di tempo, nella velocit? di commutazione del dispositivo, dovuti ai fenomeni di accumulazione della carica, analogamente a quanto si verifica con l'impiego di transistori bipolari di tipo n-j>-n* Questo limita la velocit? con la quale la sorgente di elettroni pu? venir? commutata per variare il flusso di elettroni emesso dell dispositivo,.

In pratica, soltanto una piccola proporzione degli elettroni accelerati emerge dall'area supei*-ficiale (malgrado il rivestimento presente stilla terza regione di piccolo spessore). Una proporzione preponderante di elettroni non emessi, viene estratta come flusso di corrente dalla connessione elettrodica della terza regione. E' desiderabile impiegare una terza regione sottilissima, allo scopo di massimizzare il numero di elettroni emergenti dall'area superficiale. In GB 830,086 ? stata indicata una gamma di spessori compresa tra 0,01 e 10 micrometri. Tuttavia, per poter operare come una struttura a transistore n-?-n con il controllo di base della corrente di emettitore, la terza regione di tipo n, del dispositivo descritto in GB 830,086 non pu? ve

Ing. C. GREGGIU

nire fortemente drogata nei confronti della prima regione e della seconda regione, senza che a questo si associ una degradazione dell?efficienza di emettitore del transistore. Conseguentemente, in pratica, se lo spessore della terza regione risulta significativamente inferiore a circa 1 micrometro, la terza regione presenter? una resistenza elettrica di valore elevato. Pertanto, la velocit? con la quale la sorgente di elettroni pu? venire commutata, risulter? ulteriormente limitata dalla costante di tempo RC derivante da questa elevata resistenza di collettore e dall? associata capacit? della giunzione. Inoltre, poich? la seconda regione di tipo n deve risult?ire fortemente drogata, per garantire una buona efficienza di emettitore del transistore, la giunzione ?-n della stessa, con la prima regione di tipo ? presenter? una elevata capacit? la quale deve venire caricata attraverso la resistenza di base della struttura a transistore, limitando in tal modo ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni.

Le connessioni elettrodiche per ogni regione della struttura n-?-n sono indispensabili per il funzionamento del dispositivo descritto nel brevetto N. 830.086. Questo requisito comportante la necessit? di tre connessioni elettrodiche separate,

Ing. C GREGORJ complica la struttura della sorgente di elettroni e la fabbricazione della stessa, in modo affidabile, particolarmente se si desidera fabbricare una schiera bidimensionale di dispositivi di questo tipo in un corpo semiconduttore comune? Queste schiere bidimensionali sono desiderabili per dispositivi di ripresa delle immagini, per dispositivi di visualizzazione e per la litografia elettronica. Inoltre, per garantire una regione intermedia di tipo ? presentante una sufficiente area di contatto per la propria connessione elettrodica, ? generalmente necessario e-? stendere la regione di tipo ? entro un'?rea superficiale lungo la terza regione di tipo n ma, tuttavia, deve essere rilevato che questo determina un aumento dell ' area della giunzione ?-n e dell 'associata capacit? e tende quindi a ridurre ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni?

In accordo con un primo aspetto della presente invenzione, un dispositivo semiconduttore ? caratterizzato dal fatto che la struttura n-?-n comprende cennessioni elettrodiche facenti capo alla seconda regione ed alla terza regione di tipo n e dal fatto che la prima regione di tipo ? forma uno strato di barriera che limita il flusso di elettroni

- y - tng. C GREGORJ

dalla seconda regione di tipo n alla terza regione di tipo n, finch? viene applicata una differenza di potenziale fra le connessioni di valore sufficientemente elevato da polarizzare positivamente la terza regione rispetto alla seconda regione ed in modo tale da stabilire un'alimentazione di elettroni fortemente eccitati i quali vengono iniettati nella terza regione di tipo n allo scopo di superare il valore del lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza di detta regione superficiale del corpo semiconduttore mentre, per stabilire detta alimenta-?:.zione di elettroni fortemente eccitati, lo strato di barriera di tipo ? presenta uno spessore ed una concentrazione dei droganti tali per cui quando viene applicata detta differenza di potenziale, almeno una parte dello strato di barriera viene esaurita entro l 'intero spessore della stessa, per effetto dell 'unione, o fusione delle regioni di esaurimento associate alle giunzioni ?-n fra la prima regione di tipo ? e la seconda e la terza regione di tipo n. Questo dispositivo ? di semplice costruzione e fornisce una sorgente di elettroni presentante una elevata velocit? di risposta, in modo tale da permettere una rapida variazione del flusso elettronico emesso, tale dispositivo potendo venire fabbri

ing. C GREGIS!RJ cato, in modo facile, sotto forma di una serie, o schiera di tali sorgenti di elettroni in un corpo semiconduttore comune?

Poich? lo strato di barriera di tipo ? risulta completamente esaurito per effetto della fusione degli strati di esaurimento, almeno quando viene stabilita l 'alimentazione degli elettroni fortemente eccitati, la sorgente di elettroni opera come un dispositivo a portatori maggioritari unipolari, almeno quando lo stesso viene fatto funzionare attorno a questi livelli di tensione, evitando in tal modo i ritardi dovuti all 'immagazzinamento di portatori di carica minoritari. Poich? la prima regione esaurita si comporta come una regione di barriera, a carica spaziale, di tipo negativo, fra la seconda regione di tipo n e la terza regione di tipo n (anzich? operare come la regione di base di un transistore bipolare) , la terza regione di tipo n pu? presentare una concentrazione dei droganti determinanti il tipo di conduttivit?, di valore superiore a quella della prima regione di tipo ? e di quella di almeno quella parte della seconda regione di tipo n che risulta adiacente alla prima regione? Questa terza regione pu? venire fortemente drogata, ad esempio con almeno 10 19 atomi droganti per cm 3 , oppure pu? anche venire

? ? U FFI CI O BR EVETTA

Ing. C. fZWGTVJ drogata in modo degenerativa, in maniera tale che la resistenza elettrica della stessa possa risultare molto bassa? Questo ? particolarmente importante per 1 ' estrazione di elettroni iniettati nella terza regio-^ ne ma non emessi dall ' area superficiale. L?elevatissimo valore del drogaggio della terza regione, risulta pure importante per il fatto che permette di mantenere al minimo la distanza fra l 'area superficiale ed il punto di emissione degli elettroni fortemente eccitati, nella terza regione, allo scopo di massimizzare l 'efficienza della sorgente di elettroni.

Per confronto, la seconda regione di tipo n, pu? venire leggermente drogata, in modo tale da minimizzare la capacit? della giunzione fra la prima regione e la seconda regione. L'assenza di qualsiasi connessione elettrodica alla prima regione intermedia, permette pure la disposizione della prima regione, della seconda regione e della terza regione, in una sen?>lice struttura a strati con le associate basse capacit?, con conseguente possibilit? di migliorare ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni.

E ' possibile ottenere una struttura particolarmente compatta, affidabile e di bassa capacit? quando uno strato di isolamento, dotato di apertura, vie

ne affondato per almeno una parte del proprio spessore, nel corpo, allo scopo di formare almeno una porzione del corpo delimitata, lateralmente dallo strato isolante affondato, mentre almeno la prima regione e la terza regione vengono formate entro detta porzione e risultano delimitate attorno ai loro bordi, per mezzo dello strato affondato di isolamento? Queste strutture possono pure venire fabbricate lato a lato, in un corpo semiconduttore comune, in modo tale da ottenere una vantaggiosa sorgente di elettroni a schiera bidimensionale, presentante un complesso di interconnessione particolarmente semplice, in conformit? a quanto verr? in seguito descritto con maggiori dettagli.

Inoltre, la barriera di potenziale formata fra la seconda regione di tipo n e la terza regione di tipo n, pu? venire regolata per mezzo di una scelta appropriata della concentrazione dei droganti e dello spessore della prima regione intermedia, in modo tale che gli elettroni fortemente eccitati possano venire iniettati nella terza regione con un valore di energia appena sufficiente ad attraversare l 'area superficiale ed a vincere . il lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza di quell 'area? Pertanto, ? possibile ottenere un'efficiente emissione C GRtw?

di elettroni con una differenza di potenziale applicato che non. risulta significativamente maggiore della quantit? minima necessaria a superare il lavoro di estrazione degli elettroni ef pertanto, ? possibile mantenere al minimo la perdita di potenza elettrica nei confronti della sorgente di elettroni. Per lo stesso scopo, ? generalmente desiderabile ridurre il lavoro di estrazione degli elettroni, ad esempio per mezzo del rivestimento dell 'area superficiale nella zona in cui gli elettroni vengono emessi, impiegando un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni.

In accordo con un secondo aspetto della presente invenzione, 1 ' apparecchiatura comprendente un bulbo sotto vuoto, all 'interno del quale ? possibile mantenere un grado voluto di vuoto ed un dispositivo semiconduttore conforme all * invenzione , ? caratterizzata dal fatto che il dispositivo semiconduttore viene montato all 'interno del bulbo, per consentire l 'emissione di elettroni nell 'ambiente sotto vuoto, durante il funzionamento dell 'apparecchiatura. Questa apparecchiatura pu? essere costituita, ad esempio, da un tubo a raggi catodici, da un dispositivo di ripresa delle immagini, da un dispositivo di visualizzazione, oppure da una apparecchiatura per li

? I ? ing. C GREG?RJ

tograf?a elettronica, per la fabbricazione di dispositivi a stato solido microminiaturizzati.

Queste ed altre caratteristiche conformi all 'invenzione, risulteranno ora evidenti dall ' analisi della seguente descrizione dettagliata, riferita ad alcune versioni realizzative della stessa, riportate a titolo di esempio illustrativo, tale trattazione essendo considerata in unione ai disegni allegati, nei quali;

la figura 1 rappresenta una sezione di una parte di un dispositivo semiconduttore costruito in con--for?nit? ai principi della presente invenzione;

la figura 2 rappresenta un diagramma delle energie, preso attraverso un dispositivo, in condizioni di polarizzazione e di poi etri zzazione nulla;

la figura 3 rappresenta una sezione di una parte di un altro dispositivo semiconduttore realizzato in conformit? ai principi della presente invenzione;

la figura 4 costituisce una vista schematica di un tubo a raggi catodici realizzato in conformit? ai dettami della presente invenzione ed includente una sorgente di elettroni costruita in conformit? ai principi dell 'invenzione in oggetto;

la figura 5 rappresenta ima vista parziale in

- >J - ,?-ICIO BHtven .

Ing. C. GREGGRJ sezione e parzialmente in prospettiva di una parte di un altro dispositivo semiconduttore costruito in conformit? ai dettami della presente invenzione; e la figura $ rappresenta una sezione parziale ed una vista prospettica parziale di una parte del corpo del dispositivo semiconduttore schematizzata nella figura 5, presa perpendicolarmente alla vista riportata nella figura 5?

Deve essere sottolineato il fatto che tutte le figure sono diagrammatiche e non riportate in scala? Le dimensioni e le proporzioni relative di alcune parti di queste figure sono state rappresentate notevolmente esagerate, o ridotte, per amore di convee

niente/di chiarezza nei disegni? Gli stessi numeri di riferimento inpiegati in una forma pratica realizzativa dell'invenzione, sono stati adottati per identificare, nelle varie altre viste, i vari elementi corrispondenti,o similari?

La figura 1 illustra una sorgente di elettroni comprendente un corpo semiconduttore 10 di silicio monocristallino, nel quale ? formata una struttura n-?-n per mezzo di una prima regione 1, a conduttivit? di tipo ? fra una seconda regione 2 ed una terza regione 3, entrambe a conduttivit? di tipo n? Gli elettroni vengono generati, in questa struttura

Ing. C GRECHILI

?-?-?, per l 'emissione degli stessi nello spazio libero 20, da un'area superficiale 4 del corpo 10, dopo la circolazione dalla seconda regione 2, attraverso la prima regione 1 e la terza regione 3, secondo quanto rappresentato dalle frecce 24 riportate nella figura 1 ?

In accordo con i principi caratteri siici della presente invenzione, la struttura n-?.-n 2-1-3 presenta le connessioni elettrodiche soltanto per la seconda regione 2 di tipo n e per la terza regione 3 di tipo n? Queste connessioni elettrodiche possono venire formate da strati di metallo 12 e 13 formanti contatti ohmici con le regioni 2 e 3, rispettivamente? Pu? essere rilevato che non esiste alcuna connessione elettrodica per la regione intermedia 1 , a conduttivit? di tipo j>, la quale forma una regione di barriera in grado di limitare il flusso di elettroni 24 dalla regione 2 alla regione 3, finch? viene applicata una differenza di potenziale V fra le connessioni elettrodiche 12 e 13, per polarizzare la regione 3 in modo sufficientemente positivo rispetto alla seconda regione e per stabilire un' alimentazione di elettroni fortemente eccitati 24 iniettati nella regione 3 con una energia sufficiente a vincere il lavoro di estrazione degli elettroni fra l 'area

Ing. C GREG0RJ superficiale 4 e lo spazio libero 20? La regione di barriera 1 forma giunzioni p-n con entrambe le regioni 2 e 3 a conduttivit? di tipo n mentre presenta uno spessore ed una concentrazione dei droganti tali da venire esaurita per effetto della fusione degli strati di impoverimento di queste giunzioni ?-n nella regione 1 ?

Secondo quanto rappresentato nella figura 1 1 uno strato di isolamento 11 , dotato di una apertura, risulta af fondato per almeno una parte del proprio spessore, nel corpo 10, allo scopo di formare almeno una porzione 9 del corpo 10 delimitata, lateralmente, dallo strato isolante affondato 11 ? Le regioni 1 e 3 vengono formate entro la porzione 9 e le stesse sono delimitate, attorno ai loro bordi, per mezzo dello strato di isolamento 11 . Questo si traduce in una struttura molto contatta e presentante una bassa capacit?, nella quale la connessione elettrodica 13 viene foimata in modo affidabile, in corrispondenza della superficie superiore della porzione 9, senza il contatto con la regione 1 di tipo p? Inoltre, lo strato di metallo formante la connessione elettrodica 13 pu? estendersi al di sopra ed attraverso lo strato di isolamento 11 , in modo tale da ottenere un'area estesa di contatto alla quale possono eesere unite

Jng. C.

le connessioni esterne che possono presentarsi, ad esempio, sotto forma di fili conduttori? La superfi-. eie superiore della porzione 9 forma l 'area superficiale 4 dalla quale vengono emessi gli elettroni 24, Se lo strato di metallo 13 risulta sufficientemente sottile, lo stesso pu? estendersi al di sopra dell ' area superficiale 4. Tuttavia, preferibilmente, lo strato 13 presenta uno spessore maggiore e viene a contatto con la regione 3 in corrispondenza del bordo della porzione 9, secondo quanto illustrato nella figura 1 ?

Nel dispositivo rappresentato nella figura 1 , la regione 2 pu? essere fornata da uno strato epitassiale, di tipo n, di elevata resistivit? (n-) su di un substrato 2a, di tipo n, di bassa resistivit?. Il substrato 2a stabilisce una connessione di bassa resistenza con lo strato di metallo 12 che pu? estendersi al di sopra dell 'intera superficie posteriore del substrato 2a. Questa disposizione del substrato risulta particolarmente adatta per un dispositivo presentante soltanto una singola sorgente di elettroni nel corpo 10. Tuttavia, ? pure possibile l 'impiego di questa struttura per dispositivi presentanti una pluralit? di queste sorgenti di elettroni, in un corpo comune 10, con una regione comune 2 ed una

log. C GREG#?ftJ connessione elettrodica comune 12 ma con connessioni elettrodiche individuali separate 13 per le sorgenti individuali di elettroni presentanti le regioni individuali 1 e 3.

Verr? ora descritto il processo di fabbricazione del dispositivo schematizzato nella figura 1 ? Uno strato di silicio, drogato con fosforo presentante una resistivit? pari, ad esempio, a 5 ohm-cm (corrispondente, approssimativamente, a 10 15 atomi di fosforo/cm ) ed uno spessore pari, ad esempio, a 5 micrometri, viene accresciuto, epitassialmente, in -modo noto, su di un substrato di silicio 2a, drogato con fosforo presentante una resistivit? pari, ad esempio, a 0,05 ohm-cm ed uno spessore, ad esempio, di 240 ..lAicrome tri? Lo strato di isolamento 11 pu? venire . formato localmente nella superficie principale dello strato epitassiale, adottando note tecniche di ossidazione termica, sino ad una profondit? sufficiente, ad esempio di 0,1 micrometri, o di valore maggiore, al di sotto della superficie del silicio? La particolare profondit? scelta, viene determinata dallo spessore della porzione 9 richiesto per consentire l 'ottenimento di regioni affidabili 1 e 3 presentanti uno particolare spessore. Le regioni 1 e 3 possono quindi venire formate nella porzione ad altipiano

u r r i L, : u fcJ H fc V ETTI

Ji*S. C GREG^HT 9, per mezzo di un processo di inpiantagione di ioni.

14 Gli ioni boro in una dose pari, ad esempio, a 2 x 10 -2

cm ed in corrispondenza di una energia pari, ad esempio, a 4, 5 keV, possono venire insegati per la formazione della regione 1 , mentre gli ioni arsenico 14 ?2

in una dose pari, ad esempio, a 5 x 10 cm e con una energia dell 'ordine di 10 keV, possono formare la regione 3 a conduttivit? di tipo n. Dopo la ricottura delle parti impiantate ionicamente, gli strati di metallo 13 e 12, ad esempio in alluminio, vengono formati in modo tale da creare le connessioni eleitrodiche. In questo modo, ? possibile ottenere una sorgente di elettroni presentante un tempo di risposta pari, all 'incirca a 5 nanosecondi o di valore inferiore, in modo tale da permettere una rapida-modulazione del flusso elettronico emesso, mediante commutazione della tensione applicata all * elettrodo 13, attorno ad un livello di circa 4 volt. Questa elevatissima velocit? operativa pu? essere ottenuta per il fatto che la regione 1 viene svuotata quando viene stabilita l ' alimentazione degli elettroni Jbrtmente eccitati 24, la struttura n-p-n nella porzione 9 presenta bassissime capacit? associate, mentre la regione 3 a conduttivit? di tipo n presenta una elevata concentrazione dei droganti.

? Ing. C. GR?G?(U

La concentrazione dei droganti e lo spessore infine ottenuto per la regione 3 a conduttivit? di tipo n, dipendono dalle particolari specie ioniche, dall'energia e dalla dose adottate e dalle condizioni del processo di ricottura? E' possibile formare una regione 3 presentante uno spessore stimato di 0,025 micrometri ed una concentrazione stimata di 2o ?3

droganti attivi pari a 5 x 10 cm , mediante ricottura di dette parti impiantate con ioni arsenico,

14 ?2

con una dose di 5 x 10 cm ed operando con una energia di 10 keV, ad una temperatura di 700?C, in ambiente sotto vuoto? Impiegando questi piccoli spessori per la regione 3, le perdite di energie, nei confronti degli elettroni 24, nella regione 3, vengono mantenute ad un basso livello, con conseguente aumento della probabilit? di emissione degli elettroni dall'area superficiale 4? Quegli elettroni che non vengono emessi dall'area superficiale 4, vengono estratti attraverso la connessione elettrodica 13. Impiegando questa elevata concentrazione dei droganti, malgrado il suo piccolo spessore, la regione 3, a conduttivit? di tipo n, presenta una resistenza elettrica di valore sufficientemente basso da consentire una rapida modulazione del flusso elettronico emesso

Ing. C GREGARI La concentrazione dei droganti attivi e lo spes-? sore della regione di barriera 1 dipendono, in modo analogo, dalla particolare specie ionica, dall 'energia, dalla dose e della condizioni di ricottura e possono venire scelti in modo tale da determinare 1 * altezza desiderata della barriera di potenziale per gli elettroni, fra le regioni 2 e 3 e per determinare se la regione 1 risulta impoverita soltanto quando vieine applicata ma differenza di potenzi ale V almeno pari ad un livello minimo prestabilito? Mediante ricottura di dette parti inpiantate con ioni boro,

14 ?2

?GQii- una dose di 2 x 10 cm e con ma energia di 4,5 JceV, operando in ambiente sotto vuoto, ad ma temperatura di 700?C, la risultante regione di barriera 1 pu? presentare mo spessore pari , all 'incia>-ca, a 0,05 micrometri e con ma concentrazione dei droganti pari, all ' incirca, a 2 x 10 cnT , con conseguente possibilit? di ottenimento di ma barriera di potenziale pari, all 'incirca, a 4 volt nei confronti del flusso elettronico dalla regione 2 alla regione 3. La risultante regione di barriera 1 non risulta quindi impoverita per ma parte del proprio spessore, per mezzo degli strati di esaurimento delle giunzioni g-n fra la regione 1 di tipo j> e le regioni 2 e 3, a conduttivit? di tipo n, in corrispon

Ing. C GREG9IU denza di una polarizzazioni pari a zero# L'applicazione di una differenza di potenziale V presentante almeno una ampiezza minima prestabilita, ? necessaria per allargare questi strati di impoverimento attraverso l'intero spessore della regione 1* L'ampiezza della differenza di potenziale V, necessaria per inpoverire comp?etemente la regione 1 per mezzo del cosiddetto fenomeno di "attraversamento ",o di "punch through" degli strati di esaurimento corrispondenti, operando in questo modo, ? determinata dalla concentrazione dei droganti e dallo spessore della regione 1? Finch? la regione 1 viene esaurita completamente per l'intero proprio spessore, la parte non impoverita della regione 1 impedisce l'iniezione di elettroni fortemente eccitati 24 nella regione 3 e l'effetto della tensione di polarizzazione applicata consiste nell'aumentare l'energia della distribuzione degli elettroni che devono venire iniettati. In questo modo, quando si verifica l'iniezione degli elettroni, l'energia degli elettroni iniettati 24 pu? essere significativamente superiore al lavoro di estrazione degli elettroni, permettendo in tal modo una elevata efficienza di.emissione dall'area superficiale 4. Questa situazione ? stata illustrata nella figura 2.

- U f F I C I 0 B R E V ETTI

Sng. C. GREGORJ La linea a riportata nella figura 2, rappresenta l 'energia degli elettroni ed il diagramma dei potenziali attraverso la sorgente di elettroni nello spazio libero, nella condizione di equilibrio termico, con una condizione di polarizzazione pari a zero. La linea b riportata nella figura 2, rappresenta il diagramma corrispondente, con una differenza di potenziale applicata fra le regioni 2 e 3, appena sufficiente ad impoverire l 'intera regione 1 ? Come pu? essere rilevato confrontando le linee a e b nella figura 2, questo si traduce nello spostamento del potenziale della barriera superficiale tra la regione 3 e lo spazio libero 20, ad un livello inferiore (pi? positivo) rispetto alla regione 2, in modo tale che quando si verifica 1 ' iniezioni di elettroni, secondo qualsiasi quantit? significativa (linea b) , l 'energia degli elettroni iniettati 24 risulti aumentata di una quantit? corrispondente. La differenza di potenziale V necessaria per l 'esaurimento completo della regione 1 pu? essere pari, ad esempio, a circa 4 volt, dipendentemente dallo spessore e dalla concentrazione dei droganti della regione 1 ? Aumentando la tensione di .polarizzazione V applicata, al di sopra di questo valore minimo, ? possibile ridurre l'altezza della barriera fra le regio

UFFICIO BREVETTI

Ing. C GREGSRJ ni 2 e 3, in modo tale da determinare un aumento del flusso di elettroni nella regione 3?

L'altezza della barriera fra le regioni 2 e 3, pu? venire scelta in modo tale che gli elettroni 24 iniettati nella regione 3, di tipo n, possano presentare esattamente l'esatta quantit? di energia necessaria per attraversare la regione 3 e superare il lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza dell'area 4* Questo lavoro di ?strazione degli elettroni ? compreso fra 4 e 5 eV, nel caso di una superficie di silicio pulita e non rivestita? Tuttavia, secondo quanto rappresentato nella figura 1, 1' area superficiale 4 pu? venire rivestita, in modo noto, di un sottilissimo strato 14 di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni, tale materiale essendo costituito, ad esei^pio, da bario o cesio? In questo caso, il valore del lavoro di estrazione degli elettroni viene ridotto a circa 2 eV, Questo rivestimento di cesio 14 viene incorporato, nel particolare esempio della sorgente di elettroni rappresentata nella figura 1, precedentemente descritta, in cui la regione dibarriera 1 viene impoverita per effetto del fenomeno di ,hpunch-thiOugb11 mentre presenta una altezza della barriera pari, all'incirca, a

? ?l D ? O F F I C I O B H E V ETT1

Ing. C GREGORJ 4 volt. Applicando una differenza di potenziale V pari, all *incirca, a 4 volt, a questo dispositivo, gli elettroni fortemente eccitati 24 vengono iniettati attraverso la regione di barriera 1 ed emessi dalla superficie 4, nello spazio libero 20, con una buona efficienza*

Anzich? impiegare una struttura del tipo ad attraversamento, ? pure possibile impiegare una regione di barriera 1 impoverita anche ad una tensione di polarizzazione pari a zero volt, per mezzo della fusione degli strati di impoverimento 1 in corrispondenza di una polarizzazione nulla. Questo pu? essere ottenuto, nella struttura rappresentata nella figura 1 , aumentando lo spessore della regione 1 ed aumentando la concentrazione dei droganti della regione 2 adiacente* Le regioni di barriera esaurite anche ad una tensione di polarizzazione di zero volt, sono gi? note per diodi a portatori di carica maggioritari, per transistori ad elettroni fortemente eccitati e per transistori a buchi fortemente eccitarti, dal brevetto statunitense N. 4*149.174 (riferimento interno della Titolare: PHB 32542) . Pu? essere fatto riferimento a US-A 4.149*174 per determinate informazioni riguardanti le condizioni che devono venire soddisfatte per mantenere la regione di

barriera 1 sostanzialmente esaurita in corrispondenza di una polarizzazione pari a zero e per l'ottenimento di una particolare altezza della barriera. In un partieoicir? esempio di un dispositivo conforme

all'invenzione, una regione di barriera 1 che risulta esaurita in corrispondenza di una polarizzazione nulla e presentante una altezza della barriera pari, all'incirca, a 3 volt, viene ottenuta adottando una concentrazione di droganti di tipo n dello strato

17

epitassiale 2, pari a 2 x 10 atomi di fosforo per

3

cm , con uno spessore della regione 1 pari a 0,125 micrometri mentre la concentrazione dei droganti nel-

17 ?3

la regione 1 ? pari a 2,5 x 10 cm ? Nei confronti di diodi di elevata qualit?, del tipo descritto in

US-A 4.149*174, questa scelta dello spessore e delle^-concentrazioni dei droganti conforta, deliberatamente, una degradazione del fattore di idealit?

del diodo della regione di barriera 1, per aumentare 1'energia degli elettroni 24 iniettati nella regione 3.

Nei confronti delle sorgenti di elettroni presentanti regioni di barriera 1 del tipo a ,,punch-throughMl secondo quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 2, questa sorgente di elettroni

che presenta una regione 1 esaurita in corrisponden\ C GREGORJ za di una polarizzazione pari a zero, presenta il vantaggio di risilitare sostanzialmente priva di portatori minoritari (buchi) anche se la tensione V applicata viene commutata ad un livello molto basso (parilo prossimo a zero volt)? Tuttavia, questi bassissimi livelli di tensione non sono necessari per disattivare una sorgente di elettroni in conformit? all ?invenzione, poich? questo pu? essere ottenuto riducendo la tensione applicata ad un livello appena inferiore a quello necessario per stabilire l'emissione degli elettroni 24 ed il cui valore, come precedentemente descritto, pu? essere compreso fra 3 e 4 volt? Inoltre, la maggior concentrazione dei droganti dello strato epitassiale, di una sorgente elettronica di questo tipo, presentante una regione di barriera 1 completamente esaurita, tende ad aumentare la capacit? della giunzione fra le regioni 1 e 2,mentre il maggior spessore della regione 1 comporta un aumento della distanza fra l'area superficiale 4 ed il punto di emissione degli elettroni fortemente eccitati 24 in corrispondenza della regione della barriera# Pertanto sotto questi aspetti, deve essere rilevato che risulta pi?.vantaggioso l'impiego di una barriera del tipo "punch-through" 1 anzich? di una regione a barriera 1 impoverita in corrispon

C. GREGORJ denza di una tensione di polarizzazione pari a zero volt?

La configurazione rappresentata nella figura 1, presentante uno strato affondato di isolamento 11 ed una porzione secondaria 9, permette la fabbricazione di una struttura n-?-n molto semplice, alla quale si associano capacit? di bassissimo valore? Un'altra configurazione per una sorgente di elettroni conforme all'invenzione, ? stata rappresentata nella figura 3, mentre in questa struttura, lo strato di isolamento 11 non risulta affondato nel corpo 10 entro la profondit? delle regioni 1 e 3,mentre le giunzioni ?-n, fra le regioni 2 e 1 e fra le regioni 1 e 3, si estendono sino alla superficie superiore d?i corpo 10, per mezzo di regioni anulari profonde 21 e .23, a conduttivit? di tipo ? e di tipo n, rispettivamente. Anche quando viene stabilita l'alimentazione degli elettroni fortemente eccitati 24,emessi dall'area superficiale 4, la regione 21 di tipo ? non risulta completamente esaurita entro una parte del proprio spessore, fra la regione 23 di tipo n e lo strato epitassiale 2, a conduttivit? di tipo n. La regione 23 di tipo n viene utilizzata come una regione di contatto per l'elettrodo di metallo 13? Le regioni 21 e 23 vengono formate in fasi separate di

JU ? Ing. C. Gnrcr-?j

drogaggio, prima dell'inpiantagione delle regioni 1 e 3.

Le strutture del dispositivo delle figure 1, 2 o 3, in conformit? all'invenzione, possono venire incorporate come sorgenti di elettroni in varie forme differenti di apparecchiature comportanti l'impiego di un bulbo operante sotto vuoto. La figura 4 illustra una apparecchiatura di questo tipo, a titolo di esempio illustrativo e rappresentata, in modo specifico, da un tubo a raggi catodici. L'apparecchiatura rappresentata nella figura 4, comprende un tubo a vuoto 33 opportunamente svasato e presentante una parete terminale rivestita di imo schermo di materiale fluorescente 34 formato sulla parte interna del bulbo. Il tubo 33 risulta ermeticamente sigillato in modo tale da consentire l'ottenimento, all'interno dello stesso, di un ambiente sotto vuoto 20. Nel tubo 33 sono presenti gli elettrodi di focalizzazione 25, 26 e gli elettrodi di deflessione 27, 28. Il fascio elettronico 24 viene generato in una o pi? sorgenti di elettroni, realizzati in conformit? ai principi della presente invenzione, situate nel corpo di materiale semiconduttore 10. Il corpo 10 di materiale semiconduttore ? montato su di un supporto 29 all'interno del tubo 33,mentre le varie

Ing. C GREG@RJ connessioni elettriche vengono formate fra gli strati di metallo 12, 13 ed i piedini terminali 30 passanti attraverso la base del tubo elettronico 33? Queste sorgenti di elettroni, realizzate in conf oralit? ai principi della presente invenzione, possono pure venire incorporate, ad esempio, in dispositivi di ripresa delle immagini, del tipo "vidicon". Un?altra apparecchiatura possibile ? costituita da un tubo di memoria, nel quale un disegno di cariche, rappresentativo delle informazioni, viene registrato su di un bersaglio, per mezzo di un flusso modulato di elettroni, generato dalla sorgente di elettroni del corpo 10, tale disegno di cariche venendo successivamente letto per mezzo di un fascio elettronico costante generato, preferibilmente, dalla stessa sorgente di elettroni.

Deve essere rilevato che ? possibile adottare le tecnologie note impiegate per la fabbricazione dei circuiti integrati al silicio, per la creazione delle sorgenti di elettroni in conformit? all ?invenzione, sotto forma di una schiera di elementi, in un corpo semiconduttore comune. Questo viene facilitato dalla semplice struttura n-?_-n di queste sorgenti le quali richiedono soltanto le varie connessioni elettrodiche alle due regioni 3 e 2, a conduttivit? di

B R E V ETTI

Ing. G GREGORJ tipo n. Le figure 5 e 6 illustrano un esempio di una schiera bidimensionale di queste sorgenti di elettroni, ognuna delle quali pu? venire controllata individualmente per la regolazione della propria emissione elettronica individuale. Il corpo 10 del dispositivo schematizzato nelle figure 5 e 6, presenta, in corrispondenza di una propria superficie principale, una schiera bidimensionale di porzioni 9 completamente isolate, ognuna presentante una struttura ad emissione di elettroni, del tipo n-?-n, simile a quella rappresentata nella figura 1 ? Tuttavia, la massa del corpo 10 risulta ora costituita da materiale di tipo E.? leggermente drogato, nel quale le seconde regioni 2 vengono fomite come isole di tipo n? Le sorgenti elettroniche individuali sono collegate fra di loro, in un sistema a barre trasversali X-Y. Le regioni 3 di tipo n, delle porzioni 9, in ogni direzione X della schiera, presentano una connessione elettrodica comune 13(1 ) , 13(2) , e cos? via, estendentesi nella direzione X in modo tale da stabilire il contatto con le regioni 3, in corrispondenza delle superfici superiori delle porzioni a mesa 9. Le isole di tipo n stabilenti le regioni 2, si presentano sotto forma di strisce 2(l ) , 2(2) , 2(3) , e cos? via, le quali si estendono nella direzione Y della schiera, per

mg. C. GREGORJ collegare fra di loro, in un'isola comune, le regioni 2 di tipo n delle varie sorgenti individuali di elettroni, di tipo n-?-nf in ogni direzione Y. Ognuna di queste strisce, di tipo n 2(1 ) , 2(2) , 2(3) , e cos? via, presenta una connessione elettrodica 12(1 ) , 12(2) , 12(3) , e cos? via, che viene a contatto della propria striscia, attraverso una regione di contatto, fortemente drogata, una delle quelli 22(2) 7 ? stata illustrata nella figura 6. Queste regioni di contatto possono venire formate nelle corrispondenti porzioni separate delimitate da ossido, adottando lo stesso trattamento di drogaggio impiegato per la formazione delle regioni 3, di tipo n. Queste porzioni separate a regione di contatto 9, vengono mascherate, nei confronti del trattamenti di drogaggio impiegato per la formazione delle regioni 1 a conduttivit? di tipo Le varie sorgenti individuali di elettroni della schiera X-Y possono venire controllate selezionando le connessioni elettrodiche 12(1 ) , 12(2) , e cos? via e 13(1 ) , 13(2) , e cos? via, alle quali vengono applicate le tensioni operative V(Y) e v(x) per polarizzare la regione 3 positivamente rispetto alla regione 2, per l ?emissione degli elettroni. Possono venire applicate polarizzazioni di valore differente V(X1 ) , V(X2) , ... , V(Y1 ) , v(Y2) ,

C n n r !?)j e cos? via, a connessioni differenti, in modo tale da consentire R emissione di differenti flussi di elettroni 24 da parte delle differenti sorgenti di elettroni, in modo tale da generare un disegno desiderato di flussi di elettroni dall'intera schiera.

Questo dispositivo a schiera, di tipo bidimensionale, risulta particolarmente utile come una sorgente di elettroni in un dispositivo di visualizzazione il quale pu? presentare un tubo a vuoto 33 pi? piatto del tubo a raggi catodici schematizzato nella figura 4, In un dispositivo piatto, di questo tipo, l'immagine pu? venire prodotta su di uno schermo fluorescente 34, in corrispondenza di un lato del tubo, per mezzo della generazione di differenti configurazioni di flussi elettronici dalla schiera nel corpo 10, montata in corrispondenza del lato opposto del tubo, anzich? operare una deflessione di un singolo fascio elettronico, come si verifica in un tubo a raggi catodici.

Questa schiera bidimensionale risulta pure utile per la litografia elettronica, nella fabbricazione di dispositivi semiconduttori, circuiti integrati ed altri dispositivi a stato solido del tipo microminiaturizzato? In questa applicazione, la schiera viene montata, come sorgente di elettroni, in una

c GREG?RJ camera di un apparato di esposizione di tipo litografico. La camera viene collegata ad una pompa di vuotatura, per creare un certo vuoto nella camera, per le operazioni di esposizione. Il corpo del dispositivo a stato solido che viene fabbricato, viene introdotto nella camera e lo stesso presenta, sulla propria superficie, uno strato protettivo sensibile agli elettroni il quale viene quindi esposto al disegno di flusso di elettroni dalla schiera a sorgente di elettroni, ad esempio attraverso un sistema di lenti, di tipo elettronico. Successivamente, il corpo del dispositivo a stato solido, viene rimosso dalla camera e trattato ulteriormente, operando in modo noto.L 'impiego di m a schiera di sorgenti di elettroni, di tipo bidimensionale, a seniconduttori, per dispositivi di visualizzazione e per litografia elettronica, ? gi? stato descritto nella domanda di brevetto U.K. 7902455 (riferimento interno della Titolare: PHN 9025), pubblicata come GB 2013398A e alla quale pu? essere fatto riferimento per ulteriori dettagli specifici.

Per evidenti ragioni di chiarezza nei disegni, un rivestimento 14 non ? stato rappresentato come incluso nella struttura rappresentata nelle figure 5 e 6. Tuttavia, un rivestimento 14 di questo tipo

C. GREGORJ pu? essere formato in corrispondenza dell?area superficiale 4 di ognuna delle porzioni a mesa della sorgenti di elettroni di tipo n-?-n, del dispositivo rappresentato nelle figure 5 e 6? Quantunque nelle figure 5 e 6 siano state rappresentate, a titolo di esempio, aperture sostanzialmente quadrate nelle connessioni elettrodiche 13, in corrispondenza delle aree superficiali emittenti 4, deve essere rilevato che queste aperture possono presentare un?altra configurazione, ad esempio una configurazione circolare. In particolare in schiere bidimensionali, di notevoli dimensioni, pu? essere presente una regione affondata, di tipo n, fortemente conduttiva (n+) lungo la parte di fondo di ogni striscia 2(1), 2(2), 2(3), e cos? via, a conduttivit? di tipo n, per ridurre la resistenza serie.

Deve essere rilevato che entro lo spirito e 10 scopo dell?invenzione sono possibili varie altre modifiche. Pertanto, quantunque la struttura 2-1-3 , di tipo n???n presenti connessioni elettrodiche soltanto per la seconda regione 2 e per la terza regione 3, di tipo n, vale a dire senza che esista una connessione elettrodica per la regione intermedia 1, 11 corpo 10 di una sorgente di elettroni in conformit? all'invenzione, pu? presentare elettrodi supple

^ c. GREG?RJ mentari non collegati alla struttura 2-1-3 di tipo

?-?-?? Pertanto, una sorgente di elettroni conforme all 'invenzione, pu? includere pure un elettrodo di accelerazione isolato dalla superficie di materiale semiconduttore ed estendentesi attorno al bordo dell 'area superficiale 4 della terza regione 3 a conduttivit? di tipo n, dalla quale vengono emessi gli elettroni fortemente eccitati 24. in questo caso, la terza regione 3 di tipo n pu? venire contattata dalla propria connessione elettrodica 13 attraverso una profonda regione di contatto di tipo n in corrispondenza di un'area distante dallferea superficiale 4

dalla quale vengono emessi gli elettroni fortemente eccitati 24. L 'impiego di un elettrodo isolato di accelerazione per un tipo differente di sorgente di elettroni, al di fuori dello scopo della presente invenzione, ? gi? stato descritto nella pubblicazione

GB 2013398A precedentemente indicata, alla quale pu? essere fatto riferimento specifico? E ' pure possibile la suddivisione di questo elettrodo supplementare isolato, per scopi di deflessione, in due o pi? elettrodi isolati separati, attorno all 'area superficiale 4? Anzich? impiegare un . corpo di silicio monocristallino 10, il corpo di materiale semiconduttore di una sorgente di elettroni conforme all 'invenzione.

C GPrG?~> J pu? venire realizzato con l 'impiego di un altro materiale semiconduttore costituito, ad esempio, da un composto di materiali semiconduttori di elementi dei gruppi III-^ oppure ? possibile impiegare silicio policristallino o silicio amorfo idrogenato, depositato su di un substrato di vetro o di qualsiasi altro materiale di tipo appropriato?

Nelle versioni sinore descritte con riferimento alle figure 1 , 2, 3, 5 e 6, la terza regione 3, a conduttivit? di tipo n, forma l 'area superficiale 4 dalla quale gli elettroni 24 vengono emessi nello spazio libero? Tuttavia, la terza regione 3, a conduttivit? di tipo n, in una sorgente di elettroni entro lo scopo dell 'invenzione, pu? essere separata dall 'area superficiale 4 per mezzo di almeno un ulteriore regione presentante una concentrazione di droganti di tipo j>, in grado di introdurre un picco di potenziale nel corpo, per la formazione, adiacentemente all 'area superficiale 4, di un campo elettrico che favorisce l 'emissione degli elettroni 24 attraverso il confine del corpo 10, in corrispondenza dell 'area 4? Le sorgenti di elettroni che presentano queste regioni generanti un campo elettrico, con una elevata concentrazione di droganti di tipo ?, sono state descritte e rivendicate nella domanda di

nq. C. CiKtGOKJ

brevetto italiano depositata il 3 Novembre 1982, a cura della stessa Titolare della presente invenzione.

RIVENDICAZIONI

1, Dispositivo semiconduttore per l'emissione di elettroni, comprendente un corpo semiconduttore presentante, nel corpo semiconduttore, una struttura n-j>-n costituita da una prima regione di tipo ? fra una seconda regione di tipo n ed una terza regione di tipo n, in cui gli elettroni possono venire generati in detta struttura n-?-n e posono venire emessi da una regione superficiale del corpo semiconduttore dopo la circolazione dalla seconda regione alla prima regione ed alla terza regione, caratterizzato dal ;? fatto che la struttura n-?-n comprende connessioni ^ elettrodiche facenti capo alla seconda regione di tipo n ed alla terza regione di tipo n, e dal fatto che la prima regione di tipo ? forma uno strato di barriera limitante il flusso di elettroni dalla seconda regione di tipo n alla terza regione di tipo n, finch? viene applicata una differenza di potenziale fra dette connessioni, di valore sufficientemente elevato da polarizzare positivamente la terza regione rispetto alla seconda regione ed in modo tale da stabilire un'alimentazione di elettroni forte

Ina. C. GREGQRJ mente eccitati i quali vengono iniettati nella terza regione di tipo n, allo scopo di superare il lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza di detta regione superficiale del corpo semiconduttore mentre, per stabilire detta alimentazione di elettroni fortemente eccitati, lo strato di barriera di tipo ? presenta uno spessore ed una concentrazione dei droganti tali per cui quando viene applicata detta differenza di potenziale, almeno una parte dello strato di barriera viene impoverito entro l?intero proprio spessore, per effetto della fusione delle regioni di esaurimento associate alle giunzioni p-n fra detta prima regione di tipo ? e la seconda e la terza regione di tipo n.

2* Dispositivo semiconduttore secondo la rivendicazione 1, ulteriormente caratterizzato dal fatto che detta regione di tipo n presenta una concentrazione di droganti, determinanti il tipo di conduttivit?, superiore a quella della prima regione di tipo ? e da quella di almeno quella parte della seconda regione di tipo n che risiilia adiacente alla prima regione?

3. Dispositivo semiconduttore secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, ulteriormente caratterizzato dal fatto che almeno la parte della se

- v i ?

cenda regione di tipo n adiacente alla prima regione, presenta una concentrazione dei droganti determinanti il tipo di conduttivit?, inferiore a quella della prima regione ?

4. Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni , ulteriormente caratterizzato dal fatto che uno strato di isolamento, dotato di aperture, risulta affondato, per almeno una parte del proprio spessore, in detto corpo, allo scopo di formare almeno una porzione del corpo delimitata, lateralmente, dallo strato isolante affondato e dal fatto che la prima regione e la terza regione sono formate entro detta porzione e deliraitate, attorno ai loro bordi, dallo strato affondato :<li isolamento?

5? Dispositivo semiconduttore secondo la rivendicazione 4, ulteriormente caratterizzato dal fatto che la superficie superiore della porzione delimitata dallo strato isolato affondato, fornisce detta area superficiale dalla quale vengono emessi gli e? lettroni e dal fatto che una connessione elettrodica viene a contatto di detta terza regione di tipo n, in corrispondenza di detta superficie superiore della porzione ad altipiano, o a ,,mesaM mentre si estende su detto strato affondato di isolamento?

Ing. C GREG#IU

6. Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, ulteriormente caratterizzato dal fatto che detto corpo presenta, in corrispondenza di una superficie principale, una schiera bidimensionale di dette strutture n-g-n, dal fatto che le terze regioni di tipo n in una direzione della schiera, presentano una connessione elettrodica comune che si estende in detta prima direzione e dal fatt? che le seconde regioni di tipo n, in una direzione trasversale della schiera, formano una striscia comune di tipo n estendentesi in detta direzione trasversale?

7? Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, ulteriormente caratterizzato dell fatto che detta regione di barriera non risulta inpoverita per una parte d?i proprio spessore per effetto degli strati di impoverimento delle giunzioni ?-n fra la regione di barriera e la seconda e la terza regione di tipo n, in corrispondenza di una tensione di polarizzazione pari a zero, l'applicazione di una differenza di potenziale presentante almeno un livello minimo prestabilito, es-

e

sendo necessaria fra dette connessioni elettrodiche, per allargare detti strati di esaurimento entro 1* intero spessore di detta regione di barriera, allo

ing. C.

scopo di stabilire detta alimentazione di elettroni fortemente eccitati presentanti una energia sufficiente a superare il lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza di detta area superficiale?

8. Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che lo spessore e la concentrazione dei droganti della regione di barriera sono tali per cui gli strati di impoverimento formati in corrispondenza di una polarizzazione pari a zero, con entrambe le regioni rappresentate dalla seconda regione di tipo n e dalla terza regione di tipo n, si fondono almeno in detta regione di barriera?

9? Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta -area superficiale del corpo viene ricoperta di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni*

10? Dispositivo semi conduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo semiconduttore, lungo almeno una parte della periferia della terza porzione di tipo n, ? dotato di almeno un elettrodo, elettricamente isolato dal corpo semiconduttore?

11 . Apparecchiatura comprendente un bulbo sotto vuoto, all ?interno del quale ? possibile garantire il mantenimento di un certo grado di vuoto e comprendente un dispositivo semiconduttore del tipo rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che il dispositivo semiconduttore ? montato entro il bulbo, per l 'emissione di elettroni in detto ambiente sotto vuoto, durante il funzionamento dell ?apparecchiatura.

Milano,

OFFI CI O BR EV ETTI zione di tal genere.

0.81

6 novembre 198l

8 1 3 3-5 0 1

D U P L I C A T 0 (da non modificare ) SORGENTI DI ELETTRONI ED APPARECCHIATURA PRESENTANTE SORGENTI ELETTRONICHE yj.

PHB 32.828

Descrizione dell 'invenzione avente per titolo:

"DI SPOSITI VO SEMICONDUTTORE PER L'EMISSIONE DI ELETTRONI E BECCHI ATURA COMPRENDENTE TALE DISPO SITIVO SEMICONDUTTORE

a nome: N.V. PHILIPS* GLOEIL ENFA EKEN

a : Eindhoven (Paesi Ba^si")

di nazionalit? Paesi^&?ssi, elettivamente"'dQmiciliata a Milano, Via' Dogana 1, presso il Mandatario fi ci? Brev?tti Ing. C. Gregorj

depositata il Nr.

?0?0?0?

RIASSUNTO

Una sorgente di elettroni, presentante un breve tempo di risposta, comprende almeno una struttura n? ?-n (e, possibilmente, una schiera di dette strutture n-?-n) , formate in un corpo di silicio, o di altro materiale semiconduttore (10), per mezzo di una prima regione di tipo ? ( 1 ) tra una seconda regione ed una terza regione (2 e 3), di tipo n. Gli elettroni (24) vengono generati nella struttura n? ?-n (2, 1, 3) per l'emissione in uno spazio libero (20) da un'area superficiale (4) del corpo (10), dopo la circolazione dalla secondo regione (2) attraverso la prima regione e la terza regione (1 e 3)? La struttura n-?-n (2 y 1 f 3) presenta connessioni elettrodiche (12 e 13) soltanto per la seconda regione e la terza regione (2 e 3) di tipo n. La prima regione (1) forma una regione a barriera in grado di limitare il flusso di elettroni dalla seconda regione (2) alla terza regione (3) finch? viene applicata una differenza di potenziale, fra le connessioni elettrodiche (12 e 13) suffi ciente a polarizzare la terza regione (3) positivamente rispetto alla seconda regione (2) ed in modo tale da stabilire un'alimentazione di elettr?ni fortemente eccitati (24) iniettati nella terza regione (3) con una energia sufficiente a vincere il lavoro di estrazione degli elettroni fra l'area superficiale (4) e lo spazio libero (20). La regione di barriera (1) forma strati di esaurimento con la seconda regione e ia terza regione (2 e 3), di tipo n e la stessa viene esaurita fondendo fra di loro questi strati di esaurimento quando detta differenza di potenziale viene applicata, allo scopo di stabilire detta alimentazione di elettroni fortemente eccitati (24). La struttura n-?-n pu? essere formata in una porzione ad altipiano, o "mesa" (9) del corpo (10), in corrispondenza di una finestra praticata in uno strato di isolamento (11), in modo tale da formare un complesso compatto al quale si associano capacit? molto basse. Le sorgenti di elet__troni possono venire impiegati in tubi a raggi caio--dici, in dispositivi di visualizzazione ed anche in ...apparecchiature elettroniche di tipo litografico, -.(figura 1). . .

4 .DESCRIZIONE DELL1 INVENZIONE

La presente invenzione,si riferisce ad una. - sorgente di elettroni per l'emissione di un flusso -di-elettroni-,- in particolare, ma non esclusivament !e, -essa-si--riferisce ad una sorgente di elettroni a. rapida risposta, per.tubi a raggi catodici,...dispo.: -aitivi di ripresa..delle immagini, dispositivi di ?visuali.zzazione_.o_litografia elettronica. L'.inven--zinne s~i riferisce ?& inoltre ad.una apparecchiatura _pr.esentant.e_sorgent.i_di elettroni di tal genere.

_ LEL.dasorisions_.di brevetto U.K. (GB-A) 830.086 . descrive..una._sorgent.e___^i .elettroni _

un di ?pQ^rH=4-vfl spTtri-eanduttc?"f=r/' comprenripntF! un corpo semiconduttore ed una struttura ?-?-? formata, nel coipo, da una prima regione di tipo ? fra una seconda regione ed una terza regione, di tipo n, Gli elettroni vengono generati in detta struttura n-?-n per l ?emissione nello spazio libero, da un'area superficiale di detto corpo, dopo la circolazione dalla seconda regione, attraverso la prima regione e la terza regione? Un vantaggio di qu?esta struttura n-?-n, uno specifico esempio della quale ? stato illustrato nella figura 3 di GB? A 830*086, ? rappresentato dal fatto che la sorgente di elettroni pu? essere fatta funzionare con livelli di tensione al di sotto di quelli necessari per provocare una rottura, vale a dire un "breakdovn" a valanga del semiconduttore? Esempi di altre sorgenti di elettroni presentanti una semplice struttura ?-n ma operanti secondo la caratteristica di rottura a valanga, sono stati descritti in GB-A 830.086,

Ogni regione della struttura n-?-n descritta in GB-A 830,086, presenta un elettrodo collegato ad un alimentatore di tensione, per il funzionamento della struttura in modo analogo ad un transistore. La prima giunzione ?-n, disposta fra la seconda regione e la prima regione, ? polarizzata in senso diretto, come si verifica per una giunzione di emettitore. La seconda giunzione g-n fra la prima regione di tipo ? e la terz? regione di tipo n, risulta polarizzata in senso inverso, come si verifica per una giunzione di collettore. Deve essere rilevato che si verifica la circolazione di una piccola corrente di saturazione attraverso la seconda giunzione g-n in assenza di iniezioni di elettroni dalla prima giunzione g-n. Gli elettroni iniettati nella regione di tipo g si diffondono attraverso la regione di tipo g e vengono accelerati in modo tale da acquisire energie di livello elevato per effetto della caduta di potenziale attraverso la seconda giunzione g-n. Utilizzando una sottilissima terza regione di tipo n, rivestita di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni, alcuni di questi elettroni possono sfuggire nello spazio libero prima di cedere la loro energia al reticolo. La quantit? di elettroni emessi nello spazio libero, viene regolata variando la tensione dell?alimentatore di tensione, applicata ai capi della prima giunzione g-n, fra la seconda regione e la prima regione.

Tuttavia, una sorgente di elettroni, a conduttivit? di tipo n-g-n, in accordo con quanto descritto in GB-A 830.086, presenta parecchi svantaggi.

Gli elettroni iniettati nella regione di tipo ? ed i buchi iniettati nella seconda regione di tipo n, costituiscono portatori di carica minoritari che conducono a ritardi di tempo, nella velocit? di commutazione del dispositivo, dovuti ai fenomeni di accumulazione della carica, analogamente a quanto si verifica con l 'impiego di transistori bipolari di tipo n-g-n. Questo limita la velocit? con la quale la sorgente di elettroni pu? venire commutata per variare il flusso di elettroni emesso dal dispositivo.

In pratica, soltanto una piccola proporzione degli elettroni accelerati emerge deai 'area superficiale (malgrado il rivestimento presente sulla terza regione di piccolo spessore) . Una proporzione preponderante di elettroni non emessi, viene estratt a '/come flusso di corrente dalla connessione elettrodica della terza regione. E * desiderabile impiegare una terza regione sottilissima, allo scopo di massimizzare il numero di elettroni emergenti dall 'area superficiale. In GB 830.086 ? stata indicata una gamma di spessori compresa tra 0,01 e 10 micrometri. Tuttavia, per poter operare come una struttura a transistore n-?-n con il controllo di base della corrente di emettitore, la terza regione di tipo n. del dispositivo descritto in GB ?0.086 non pu? venire fortemente drogata nei confronti della prima regione e della seconda regione, senza che a questo si associ una degradazione dell?efficienza di emettitore del transistore. Conseguentemente, in pratica, se lo spessore della terza regione risulta significativamente inferiore a circa 1 micrometro, la terza regione presenter? una resistenza elettrica di valore elevato. Pertanto, la velocit? con la quale la sorgente di elettroni pu? venire commutata, risulter? ulteriormente limitata dalla costante di tempo RC derivante da questa elevata resistenza di collettore e dall' associata capacit? della giunzione. Inoltre, poich? la-seconda regione di tipo n deve risultare fortemente drogata, per garantire una buona efficienza -di-emettitore del transistore, la giunzione ?-n della stessa, con la prima regione di tipo ? presenter? una elevata capacit? la quale deve venire caricata attraverso la resistenza di base della struttura a transistore, limitando in tal modo ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni.

Le connessioni elettrodiche per ogni regione della struttura n-?-n sono indispensabili per il funzionamento del dispositivo descritto nel brevetto N. 830.086. Questo requisito comportante la necessit? di tre connessioni elettrodiche separate, complica la struttura della sorgente di elettroni e la fabbricazione della stessa, in modo affidabile, particolarmente se si desidera fabbricare una schiera bidimensionale di dispositivi di questo tipo in un corpo semiconduttore comune? Queste schiere bidimensionali sono desiderabili per dispositivi di ripresa delle immagini, per dispositivi di visualizzazione e per la litografia elettronica? Inoltre, per garantire una regione intermedia di tipo ? presentante una sufficiente area di contatto per la propria connessione elettrodica, ? generalmente necessario e? stendere la regione di tipo ? entro un'area superficiale lungo la terza regione di tipo n ma, tuttavia, deve essere rilevato che questo determina un aumento dell 'area della giunzione ?-n e dell 'associata capacit? e tende quindi a ridurre ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni

In accordo con un primo aspetto della presente invenzione, un dispositivo semiconduttore ? caratterizzato dal fatto che 1 ?Ns t ru t tur a _,n^?-n comprende cennessioni elettrodiche ^fa??nti capo alla seconda regione ed alla teria regione di tipo n e dal fatto che la^primaTregione di tipo ? fozmaNiiio strato di barriera che limita il flusso di elettroni' In accordo con un primo aspetto della presente invenzione, una sorgente, di elettroni per 1}.'emissione .di un flusso di elettroni, comprendente un corpo semiconduttore, una struttura ????? n-?-n for mata nel corpo mediante una prima regione di tipo ? tra una seconda regione ed una terza .regione d_i. tipo p n, gli elettroni essendo generati nella sue.? detta struttura n-?-n- per l?emissione da una arei. superficiale del suddetto corpo, dopo il flusso. dalla .seconda regione attraverso la .prima,e_la ter za regione, risulta caratterizzata dal fatto ch?. la. struttura n~??n- presenta connessioni elettrodi che facenti capo soltanto alla suddetta seconda e .terza regione di tipo n, e dal fatto che la pri^r ma regione fornisce una regione di barriera che limita.il flusso di elettroni provenienti dalla seconda. regioneE e diretti alla terza regione, fih che viene ap-nlicata una differenza di potenziale tra le .suddette connessioni elettrodiche al fine di polarizzare positivamente la terza regione rispetto alla seconda regione e in modo da stabilire un'alimentazione di elettroni fortemente eccitati iniettati nella suddetta terza regione con una energia sufficiente a superare,la barriera superficial e in corrispondenza della suddetta area superficiale del corpo, la .suddetta regione di.barriera formando strati di esaurimento sia con la seconda .c.he__c_Qn la terza regione di tipo n e presetand? uno spessore ed una concentrazioni di droganti..tali da essere esauriti in fori,per effetto della fusione , dei suddetti strati di esaurimento nella regione j di barriera, -almeno quando la suddetta differenza, di potenziale viene applicata tra le suddette con-i nessioni elettrodiche per stabilire. la su.ddetta__a- .. limentazione ?&ii-dr elettroni fori e.aente _ec_cit_atiI.

--TU e struttura -di dispositive .in accordo con la p-resente-invenzione risulta1 semplice,,costr?--zi-one -e-cons?ente-1-?ottenimento di.una sorgente di elettroni--che pub--pr.esentar.e_.una elev.ata^.v elocit?_ ?di risposta, permettendo, co si_una. rapida variazione del-flusso-.elettroni c.o emesso _e che.pu?__esspre__fa J--br-icata-in.jnod.o_fac.ile, sotto forma .di una serie,jo schiera di-tali sorgenti di elettroni in un .corpo.. -semiconduttore-, comune. __ _ __ _

. Poihc? ..la.prima.regicne..di_.tipo p risulta -esaurita in fori_ _ _

cato, in modo^facile, sotto forrffa-~4i__una serie, schiera^di tali so^ge^t^/di elettroni in un coi semiconduttore comune.

l*??Gh?-lo?strato?di? barriera?di? tipo-?-ri-su?rta completamente esaurita per effetto della fusione degli strati di esaurimento, almeno quando viene stabilita 1 *alimentazione degli elettroni fortemente eccitati, la sorgente di elettroni opera come un dispositivo a portatori maggioritari unipolari, almeno quando lo stesso viene fatto funzionare attorno a questi livelli di tensione, evitando in tal modo i ritardi dovuti all'immagazzinamento di portatori di carica minoritari. Poich? la prima regione esaurita si comporta come una regione di barriera, a carica spaziale, di tipo negativo, fra la seconda regione di tipo n e la terza regione di tipo n (anzich? operare come la regione di base di un transistore bipolare), la terza regione di tipo n pu? presentare una concentrazione dei droganti determinanti il tipo di conduttivit?, di valore superiore a quella della prima regione di tipo ? e di quella di almeno quella parte della seconda regione di tipo n che risulta adiacente alla prima regione. Questa terza regione pu? venire fortemente drogata, ad esempio con almeno 1019 atomi droganti per cm3, oppure pu? anche venire drogata in modo degenerativa, in maniera tale che la resistenza elettrica della stessa possa risultare molto bassa? Questo ? particolarmente importante per 1* estrazione di elettroni iniettati nella terza regione ma non emessi dall'area superficiale* L'elevatissimo valore del drogaggio della terza regione, risulta pure importante per il fatto che permette di mantenere cil minimo la distanza fra l'area superficiale ed il punto di emissione degli elettroni fortemente eccitati, nella terza regione, allo scopo di massimizzare l'efficienza della sorgente di elettroni* Per confronto, la seconda regione di tipo n, pu? venire leggermente drogata, in modo tale da minimizzare la capacit? della giunzione fra la prima regione e la seconda regione* L'assenza di qualsiasi connessione elettrodica alla prima regione intermedia, permette pure la disposizione della prima regione, della seconda regione e della terza regione, in una semplice struttura a strati con le associate basse capacit?, con conseguente possibilit? di migliorare ulteriormente la velocit? di risposta della sorgente di elettroni.

E' possibile ottenere una struttura particolarmente compatta, affidabile e di bassa capacit? quando uno strato di isolamento, dotato di apertura, viene affondato per almeno una parte del proprio spessore, nel corpo, allo scopo di formare almeno una porzione del corpo delimitata, lateralmente dallo strato isolante affondato,mentre almeno la prima regione e la terza regione vengono formate entro detta porzione e risultano delimitate attorno ai loro bordi, per mezzo dello strato affondato di isolamento.

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Questevstrutture possono pure venire fabbricate lato a lato, in un corpo semiconduttore comune, in modo tale da ottenere una vantaggiosa sorgente di elettroni a schiera bidimensionale, presentante un complesso di interconnessione particolarmente semplice, in conformit? a quanto verr? in seguito descritto con maggiori dettagli.

Inoltre, la barriera di potenziale formata fra la seconda regione di tipo n e la terza regione di tipo n, pu? venire regolata per mezzo di una scelta appropriata della concentrazione dei droganti e dello spessore della prima regione intermedia, in modo tale che gli elettroni fortemente eccitati possano venire iniettati nella terza regione con un valore di energia appena sufficiente ad attraversare l?area superficiale ed a vincere .il-lavoro ?di-eatrazione -degli-elettroni in corrispondenza di quell?area? Pertanto, ? possibile ottenere un 1efficiente emissione di elettroni con una differenza di potenziale applicato che non risulta significativamente maggiore della quantit? minima necessaria a superare il lavoro di estrazione degli elettroni e, pertanto, ? possibile mantenere al minimo la perdita di potenza elettrica nei confronti della sorgente di elettroni. Per lo stesso scopo, ? generalmente desiderabile ridurre il lavoro di estrazione degli elettroni, ad esempio per mezzo del rivestimento dell 'area superficiale nella zona in cui gli elettroni vengono emessi, impiegando un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni.

In accordo con un secondo aspetto della presente invenzion?v l 'apparecchiatura comprendente un bulbo sotto vuoto, ailsjintemo del quale ? possibile mantenere un grado volut{5 di. vuoto ed un dispositivo semiconduttore conforme all 'invenzione, ? caratterizzata dal fatto che il di^osrtrro semiconduttore viene montato all 'interno d?i buHx>, per consentire l 'emissione di elettroni nell 'ambienta sotto vuoto, durante il funzionamento dell 'apparecchiatura. Questa apparecchiatura pu? essere costituita, ??<d esempio, da urr tubo a raggi catodici, da un dispositivo di ripdresa delle immagini, da un dispositivo di visual izzazione/ oppure da una apparecchiatura per liIn accordo con un secondo aspetto (iella presente .intenzionef viene realizzata una apparecchiatura comprendente un bulbo o involucro sotto vuoto entro il quale ? possibile mantenere un grado di vuoto, ed una sorgente ?i elettroni realizzata I in accordo con il primo aspetto dell'invenzione, la suddetta sorgente ?i elettroni essendo montata .entro il bulbo per l'emissione di elettroni nel suddetto vuoto durante il funzionamento dell'apparecchiatura.. Tale apparecchiatura pu? essere costituita, per esempio, da un tubo a raggi catodici, da un dispositivo di ripresa delle immagini, da un dispositivo d? visualizzazione, oppure da una apparecchiatura per litografia elettronica, per la fabbricazione di dispositivi a stato solido, micromini aturizzati.

.Queste ed altre caratteristiche in accordo con _la presente invenzione verranno ora descritte facendo riferimento ai disegni diagrammatici accompagnatori illustranti, per mezzo di esempi, varie forme pratiche reali.zzative dellinvenzione. In questi,disegni:

_ La.figura 1.rappresenta una vista in seizi one di parte di un corpo semiconduttore di una sorgente di elettroni realizzata in conformit?

.ai_principi dell *invenzione;

. . la figura 2 raparesenta un diagramma delle energie preso attraverso ? tale sorbente di elet--troni, sia in condizioni di polarizzazione che di polarizzazione nulla; .. .

La figura 3 rappresenta una vista in.sezione . ?di part? di un corno semiconduttore di un'altra sprgente di elettroni realizzata in .conformit? all'inI-venzione; . - - . . . - . -La figura 4 rappresenta un .tubo..a._raggi .catodici -in accordo con 1 *invenzione ed?includente ..

-una- sorgente di .elettroni?realizzata in accordo -con- l'invenzione;- ? _ _ ...._...._

- - -La-figura 5 ..rappresenta .una visi a _parziale -in s-azinne..ed-una vinta -parziale in npr p.rospettiva. .di -parte -di .un -corpo._semiconduttore.di una ulteriore- -s.or.gente di .elettroni in .jaccordo__cpn in- _ yen ziorie; e

.La figura. 6. rappresenta una vista parziale in sezione,_.ed .una vista .parziale in prosp_ettiva ?BE?XKS[ di parte,del corpo della,sorgente di elettroni .schematizzata. nell a_figur a 5? presa perpen? _ die olarmento alla vista della figura 5... . .. _ _ Leve essere sottilineato il .fatto _che.tutte le figure -sono diagrammatiche? e non riportate -in --scala.-Le dimensioni e le!proporzioni relative di alcune parti- di queste figure sono state rappresentate notevolmente esagerate, o ridotte, per corivenianza e chiarezza.dei disegniX. Gli stessi numqri di riferimento impiegati in una forma pratica rea--lizzativa dell?invenzione, sono stati adottati pei: identificare, nelle altre varie viste, i vari ^le-, menti corrispondenti o similari.

. . La sorgente di X elettroni illustrata nzlla figura 1 comprende un corpo semiconduttore 10 di -siliciio mon.ocristallino, nel quale formata una struttura n-?-n per mezzo di una prima regione 1, a conduttivit? di tipo ? fra una seconda regione 2 ed una terza regione 3, entrambe a condittivit? _ di tipo n- Gli elettroni 24 vengono generati, in .questua -struttura

n-jx-rip per l ?emissione degli stessi nello spazio libero 20 f da un?area superficiale 4 del corpo 10, dopo la circolazione dalla seconda regione 2f attraverso la prima regione 1 e la terza regione 3, secondo quanto rappresentato dalle frecce 24 riportate nella figura 1 ?

In accordo con i principi caratteristici della presente invenzione, la struttura n-g-n 2-1-3 presenta le connessioni elettrodiche soltanto per la seconda regione 2 di tipo n e per la terza regione 3 di tipo n. Queste connessioni elettrodiche possono venire formate da strati di metallo 12 e 13 formanti contatti ohmici con le regioni 2 e 3, rispettivamente. Pu? essere rilevato che non esiste alcuna connessione elettrodica per la regione intermedia 1 , a conduttivit? di tipo |> , la quale forma una regione di barriera in grado di limitare il flusso di elettroni 24 dalla regione 2 alla regione 3, finch? viene applicata una differenza di potenziale V fra le connessioni elettrodiche 12 e 13, per polarizzare la regione 3 in modo sufficientemente positivo rispetto alla seconda regione e per stabilire un? alimentazione di elettroni fortemente eccitati 24 iniettati nella regione 3 con una energia sufficiente a vincere il lavoro di estrazione degli elettroni fra l ?area di barriera-l -forma?straii___esaur?ti._sia cnn.la ne-?

uno._spessane. ad una concentrazione- di_ droganti .tali _da_essere_esaurita-in .fori?pen_effetto della -fusione degli strati di impoverimento- o di_esaur? -mento nella -regione.1.,.almeno.?q.u.and.O-J-a_differenza_

i_ P4 altamente eccitati superficiale 4 e lo spazio libero 20. La reaione dibarriera 1 forma giunzioni ?-n conferir r ambe le regioni e 3 a conduttivit? djktigcrm mentre presenta uno spessore ed una concpn'trazion?v^dd droganti tali da venire esaurita" per effetto della fusicS?ie^ degli stradi queste giunzioni ?-n nell?^regidne 1 ?

Secondo quanto rappresentato nella figura 1 , uno strato di isolamento 11 , dotato di una apertura, risulta aff ondato per almeno una parte del proprio spessore, nel corpo 10, allo scopo di formare almeno una porzione 9 del corpo 10 delimitata, lateralmente, dallo strato isolante affondato 1 1 ? Le regioni 1 e 3 vengono formate entro la porzione 9 e le stesse sono delimitate, attorno ai loro bordi, per mezzo dello strato di isolamento 11 ? Questo si traduce in una struttura molto compatta e presentante ima bassa capacit?, nella quale la connessione elettrodica 13 viene formata in modo affidabile, in corrispondenza della superficie superiore della porzione 9, senza il contatto con la regione 1 di tipo ?. Inoltre, lo strato di metallo formante la connessione elettrodica 13 pu? estendersi al di sopra ed attraverso lo strato di isolamento 11 , in modo tale da ottenere un'area estesa di contatto alla quale possono eesere unite le connessioni esterne che possono presentarsi, ad esempio, sotto forma di fili conduttori. La superficie superiore della porzione 9 forma l 'area superficiale 4 dalla quale vengono emessi gli elettroni 24, Se lo strato di metallo 13 risulta sufficientemente sottile, lo stesso pu? estendersi al di sopra dell ' area superficiale 4. Tuttavia, preferibilmente, lo strato 1.3 presenta uno spessore maggiore e viene a contatto con la regione 3 in corrispondenza del bordo della porzione 9, secondo quanto illustrato nella figura 1 ?

-Hel- disposi-ti-veVrappresentatab nella figura 1 , la regione 2 pu? essere formata da uno strato epitassiale, di tipo n, di elevata resistivit? (n-) su di un substrato 2a, di tipo n, di bassa resistivit?. Il substrato 2ja stabilisce una connessione di bassa resistenza con lo strato di metallo 12 che pu? estendersi al di sopra dell 'intera superficie posteriore del substrato 2 a. Questa disposizione del substrato risulta particolarmente adatta per un dispositivo presentante soltanto una singola sorgente di elettroni nel corpo 10. Tuttavia, ? pure possibile l 'impiego di questa struttura per dispositivi presentanti una pluralit? di queste sorgenti di elettroni, in un corpo comune 10, con una regione comune 2 ed una connessione elettrodica comune 12 ma con connessioni elettrodiche individuali separate 13 per le sorgenti individuali di elettroni presentanti le regioni individuali 1 e 3?

Verr? ora descritto il processo di fabbricazione cU. (j v ^ ^ CLMLJ * /y^e-^fc ?? 4e3r^dispo^i.tivoVschemati zzatc^ nella figura 1 . Uno strato di silicio, drogato con fosforo presentante una resistivit? pari, ad esempio, a 5 ohm-cm (corrispendente, approssimativamente, a 10 1 5 atomi di fosforo/cm ) ed uno spessore pari, ad esempio, a 5 micrometri, viene accresciuto, epitassialmente, in modo noto, su di un substrato di silicio 2a, drogato con fosforo presentante una resistivit? pari, ad esempio, a 0,05 ohm-era ed uno spessore, ad esempio, di 240 micrometri? Lo strato di isolamento 11 pu? venire formato localmente nella superficie principale dello strato epitassiale, adottando note tecniche di ossidazione termica, sino ad una profondit? sufficiente, ad esempio di 0,1 micrometri, o di valore maggiore, al di sotto della superficie del silicio? La particolare profondit? scelta, viene determinata dallo spessore della porzione 9 richiesto per consentire 1 ottenimento di regioni affidabili 1 e 3 presentanti uno particolare spessore? Le regioni 1 e 3 possono quindi venire formate nella porzione ad altipiano 9, per mezzo di un processo di impiantagione di ioni.

14 Gli ioni boro in una dose pari, ad esempio, a 2 x 10 -2

cm ed in corrispondenza di una energia pari, ad esempio, a 4, 5 keV, possono venire impiegati per la formazione della regione 1 , mentre gli ioni arsenico 14 ?2

in una dose pari, ad esempio, a 5 x 10 cm e con una energia dell 'ordine di 10 keV, possono formare la regione 3 a conduttivit? di tipo n. Dopo la ricottura delle parti Impiantate ionicamente, gli strati di metallo 13 e 12, ad esempio in alluminio, vengono formati in modo tale da creare le connessioni "elettro di che. In questo modo, ? possibile ottenere una sorgente di elettroni presentante un tempo di risposta pari, all 'incirca a 5 nanosecondi o di valore inferiore, in modo tale da permettere una rapida modulazione del flusso elettronico emesso, mediante commutazione della tensione applicata all ' elettrodo 13, attorno ad un livello di circa 4 volt. Questa elevatissima velocit? operativa pu? essere ottenuta per il fatto che la regione 1 viene svuotata quando viene stabilita l 'alimentazione degli elettroni ibr tmente eccitati 24, la struttura n-?-n nella porzione 9 presenta bassissime capacit? associate, mentre la regione 3 a conduttivit? di tipo n presenta una elevata concentrazione dei droganti.

La concentrazione dei droganti e lo spessore infine ottenuto per la regione 3 a conduttivit? di tipo n, dipendono dalle particolari specie ioniche, dall'energia e dalla dose adottate ? dalle condizioni del processo di ricottura. E' possibile formare una regione 3 presentante uno spessore stimato di 0,025 micrometri ed una concentrazione stimata di 2o ?3

droganti attivi pari a 5 x 10 cm , mediante ricottura di dette parti impiantate con ioni arsenico,

14 ?2

con una dose di 5 x 10 cm ed operando con una energia di 103ceV, ad una temperatura di 700?C, in ambiente sotto vuoto. Impiegando questi piccoli spessori per la regione 3, le perdite di energie, nei confronti degli elettroni 24, nella regione 3, vengono mantenute ad un basso livello, con conseguente aumento della probabilit? di emissione degli elettroni dall'area superficiale 4* Quegli elettroni che non vengono emessi dall'area superficiale 4, vengono estratti attraverso la connessione elettrodica 13. Inpiegando questa elevata concentrazione dei droganti, malgrado il suo piccolo spessore, la regione 3, a conduttivit? di tipo n, presenta una resistenza elettrica di valore sufficientemente basso da consentire una rapida modulazione del flusso elettronico emesso.

La concentrazione dei droganti attivi e lo spessore della regione di barriera 1 dipendono, in modo analogo, dalla particolare specie ionica, dall 'energia, dalla dose e della condizioni di ricottura e possono venire scelti in modo tale da determinare l f altezza desiderata della barriera di potenziale per gli elettroni, fra le regioni 2 e 3 e per determinare se la regione 1 risulta impoverita soltanto quando viene applicata una differenza di potenziale V almeno pari ad un livello minimo prestabilito? Mediante ricottura di dette parti impiantate con ioni boro,

14 ?2

con una dose di 2 x 10 cm e con una energia di 4,5 keV, operando in ambiente sotto vuoto, ad una temperatura di 700? C, la risultante regione di barriera 1 pu? presentare uno spessore pari, all 'incirca, a 0,05 micrometri e con una concentrazione dei 1 8 ? 3 droganti pari, all * incirca, a 2 x 10 cm , con conseguente possibilit? di ottenimento di ima barriera di potenziale pari, all ?incirca, a 4 volt nei confronti del flusso elettronico dalla regione 2 alla regione 3. La risultante regione di barriera 1 non risulta quindi impoverita per una parte del proprio spessore, per mezzo degli strati di esaurimento delle giunzioni j>-n fra la regione 1 di tipo ? e le regioni 2 e 3, a conduttivit? di tipo n, in corrispondenza di una polarizzazioni pari a zero. L 'applicazione di una differenza di potenziale V presentante almeno una ampiezza minima prestabilita, ? necessaria per allargare questi strati di impoverimento attraverso l 'intero spessore della regione 1 . L 'ampiezza della differenza di potenziale V, necessaria per irrpoverire completamente la regione 1 per mezzo del cosiddetto fenomeno di "attraversamento1^ o di "punch through" degli strati di esaurimento corrispondenti, operando in questo modo, ? determinata dalla concentrazione dei droganti e dallo spessore della regione ? .-Finch? la regione 1 viene esaurita completamente per l 'intero proprio spessore, la parte non impoverita della regione 1 in^jedisce l 'iniezione di elettroni- fortemente eccitati 24 nella regione 3 e l 'effetto della tensione di polarizzazione applicata consiste, nell 'aumentare l 'energia della distribuzione degli elettroni che devono venire iniettati. In questo modo, quando si verifica l 'iniezione degli elettroni, l 'energia degli elettroni iniettati 24 pu? essere significativamente superiore al lavoro di estrazione degli elettroni, permettendo in tal modo una elevata efficienza di . emissione dall ' area superficiale 4. Questa situazione ? stata illustrata nella figura 2.

La linea a riportata nella figura 2f rappresenta l 'energia degli elettroni ed il diagramma dei potenziali attraverso la sorgente di elettroni nello spazio libero, nella condizione di equilibrio termico, con una condizione di polarizzazione pari a zero? La linea b riportata nella figura 2, rappresenta il diagramma corrispondente, con una differenza di potenziale applicata fra le regioni 2 e 3, appena sufficiente ad impoverire 1 'intera regione 1 ? Come pu? essere rilevato confrontando le linee a e b nella figura 2, questo si traduce nello spostamento del potenziale della barriera superficiale tra la regione 3 e lo spazio libero 20, ad un livello inferiore (pi? positivo) rispetto alla regione 2, in modo tale che quando si verifica l 'iniezioni di elettroni, secondo qualsiasi quantit? significativa (linea b) , l'energia degli elettroni iniettati 24 risulti aumentata di una quantit? corrispondente. La differenza di potenziale V necessaria per l 'esaurimento completo della regione 1 pu? essere pari, ad esempio, a circa 4 volt, dipendentemente dallo spessore e dalla concentrazione dei droganti della regione 1 ? Aumentando la tensione di. polarizzazione V applicata, al di sopra di questo valore minimo, ? possibile ridurre l' altezza della barriera fra le regio- ?ip -

ni 2 e 3, in modo tale da determinare un aumento del flusso di elettroni nella regione 3.

L'altezza della barriera fra le regioni 2 e 3, pu? venire scelta in modo tale che gli elettroni 24 iniettati nella regione 3, di tipo n, possano presentare esattamente l'esatta quantit? di energia necessaria per attraversare la regione 3 e superare il lavoro di esiragione-deg-li in corrisponden? za dell'area 4. Questct1-avoro -^?r~e-st-nazione?degli -elettroni-? compresoffra 4 e 5 eV, nel caso di una superficie di silicio pulita e non rivestita? Tutta-~via, secondo quanto rappresentato nella figura 1, 1' area superficiale 4 pu? venire rivestita, in modo noto, di un sottilissimo strato 14 di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni, tale materiale essendo costituito, ad esempio, da bario o cesio. In questo caso, il valore del lavoro di estrazione degli elettroni viene ridotto a circa 2 eV. Questo rivestimento di cesio 14 viene incorporato, nel particolare esempio della sorgente di elettroni rappresentata nella figura 1, precedentemente descritta, in cui la regione dibarriera 1 viene impoverita per effetto del fenomeno di "punch-through*1 mentre presenta una altezza della barriera pari, all'incirca, a 4 volt. Applicando una differenza di potenziale V pari, all'incirca, a 4 volt, a questo dispositivo, gli elettroni fortemente eccitati 24 vengono iniettati attraverso la regione di barri?ra 1 ed emessi dalla superficie 4, nello spazio libero 20, con una buona efficienza.

Anzich? impiegare una struttura del tipo ad attraversamento, ? pure possibile impiegare una regione di barriera 1 impoverita anche ad una tensione di polarizzazione pari a zero volt, per mezzo della fusione degli strati di impoverimento 1 in corrispondeiza di una polarizzazione nulla. Questo pu? essere ottenuto, nella struttura rappresentata nella figura 1, aumentando lo spessore della regione 1 ed annientando la concentrazione dei droganti della re--gioire 2 adiacente. Le regioni di barriera esaurite anche ad una tensione di polarizzazione di zero volt, sono gi? note per diodi a portatori di carica maggioritari, per transistori ad elettroni fortemente eccitati e per transistori a buchi fortemente eccitati, dal brevetto statunitense N. 4.149.174 (riferimento interno della Titolare: PHB 32542). Pu? essere fatto riferimento a US-A 4.149.174 per determinate informazioni riguardanti le condizioni che devono venire soddisfatte per mantenere la regione di ?barrlera-J_ sostaxL-zij3.Lm.ente_esaurita..in .corrispon-?danza?di una polarizzazione .pari a zero.e _p_er__.l 'ot

-I-n-un--esempio,.pariIc.olare di una sorgente di elei - troni--in--accurdo .con ..l.a__presente. invenzione una

?rispondenza di una polarizsa.z.ione pari a zero _e_presenta un 'altezza,.della barriera pari a circa 3 volt_, .-viene-ottenuta- aumentando .la.concent razione di dr g-ant-i?dolio? strato epitassiale di tipo n, fornend - li-adiacente .regione...2?di.2 _x 10 atomi di fosforo -per? cm3r-ed aumentando-.lo..spessore della regione -a 0,-125 micrometri ,.diminuendo , nel contempo, la c _ contrazione di d.o.rgant_!_della..regione 1 a 2,5 x barriera 1 sostanzialmente esaurita in corri sponden za ai una polarizzazione pari a zero e per l 'otjfeeni mento di a particolare altezza della barriera. In un particolare iempio di un dispositi conforme

all 1 invenzione, una rfe?ggione di barriera 1 che ri sul ta esaurita in corrispondenza una poi ari zzazione nulla e presentante una altezza stella barriera pari, all 'incirca, a 3 volt,/viene ottenutasadottando tuia concentrazione di ganti di tipo n delibi strato epitassiale 2, /pari a 2 x 10 atomi di fosfo;

con uno spessore della regione 1 pari a 0, 12 micrometri mentre la concentrazione dei droganti nel

e 1 ? pari a 2,5 x 10 Nei confronti di diodi di elevata qualit?, del tipo descritto in

US-A 4.149.174, questa scelta dello spessore e delle concentrazioni dei droganti comporta, deliberatamente, una degradazione del fattore di idealit?

del diodo della regione di barriera 1 , per aumentare l 'energia degli elettroni 24 iniettati nella regione 3 ?

Nei confronti delle sorgenti di elettroni presentanti regioni di barriera 1 del tipo a "punch- through", secondo quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 2, questa sorgente di elettroni

che presenta una regione 1 esaurita in corrispondenza di una polarizzazione pari a zero, presenta il vantaggio di risultare sostanzialmente priva di portatori minoritari (buchi) anche se la tensione V applicata viene commutata ad un livello molto basso (pari,o prossimo a zero volt). Tuttavia, questi bassissimi livelli di tensione non sono necessari per disattivare una sorgente di elettroni in conformit? all'invenzione, poich? questo pu? essere ottenuto riducendo la tensione applicata ad un livello appena inferiore a quello necessario per stabilire l'emissione degli elettroni 24 ed il cui valore, come precedentemente descritto, pu? essere compreso fra 3 e 4 volt. Inoltre, la maggior concentrazione dei droganti dello strato epitassiale, di una sorgente elettronica di questo tipo, presentante una regione di barriera 1 completamente esaurita, tende ad aumentarne la capacit? della giunzione fra le regioni 1 e 2,mentre il maggior spessore della regione 1 comporta un aumento della distanza fra l'area superficiale 4 ed il punto di emissione degli elettroni fortemente eccitati 24 in corrispondenza della regione della barriera. Pertanto sotto questi aspetti, deve essere rilevato che risulta pi? vantaggioso l'in?>iego di una barriera del tipo "punch-through" 1 anzich? di una regione a barriera 1 impoverita in corrispondenza__di__una t__en_si_one_.di polarizza.zi.pne..pari_a zero .. .volt

La. c zion e rappresentata ai nell: .figura. 1., .presentante .uno .girato..affondato .di igo-| lam_ento 11 .ed.,una..porzione .a._me_s.a.9 ,a_semiconduttore _ consente la fabbricazione. di una struttura n-?-n molto. sempii ce _ presentante ,una._capacit? associata di valore molto basso. Una configurazione meno vantaggiiosa per una sorgente di la eiettroni in conforn .mit? all?.invenzione ? illustrata nella figura 3. c_ui__lo o_isp.lant.6_ 11 .non risulta affondato nel corpo_ 10 .entro,la profondit? della regione 1 _e__3 ,.mentre 1e : giunzioni tra le regioni 2 e i e fra jcreregioni_!....e 3. si estendono fino alle superficie superiore del KS corno 10_per mezzo di profonde, regioni anulari di confine 21 e 23_ a con-. duttivit? di tipo n e di ti r isue11 ivament e.

denza di una tensione di polarizzazione pari ^ zero volt.

La configurazione rappresentata nella figura 1 , presentante uno strato affondato di /isolamento 11 ed

/

una (porzione 'secondaria 9, permette la fabbricazione di una struttura n-p-n medito semplice, alla quale si associano capacit? di bassissimo valore? Un'altra configurazione per una /Porgente di elettroni conforme all 'invenzione, ?/stata rappresentata nella figura 3, mentre in questa struttura, \o\strato di isolamento 11 non/ri sulta affondato nelNcorpo 10 entro la profondit? delle regiorii 1 e 3, mentr\ le giunzioni ?-n^fra le regioni 2 e 1 e fra le regioni 1 e 3, si estendono sino alla superficie superiore del cor-10f per mezzo di regioni anulari profonde 2}\ e a conduttivit? di tipo ? e di tipo n, rispettivamente.j Anche quando viene stabilita 1 ' alimentazione degli elettroni fortemente eccitati 24, emessi dall 'area superficiale 4, la regione 21 di tipo ? non risulta completamente esaurita entro una parte del proprio spessore, fra la regione 23 di tipo n e lo strato epitassiale 2, a conduttivit? di tipo n? La regione 23 di tipo n viene utilizzata come una regione di contatto per l 'elettrodo di metallo 13? Le regioni 21 e 23 vengono formate in fasi separate di iroijeujijio? prima dell'impiantagione delle regioni 1 e 3.

Le strutture del dispositivo delle figure 1, 2 o 3, in conformit? all'invenzione, possono venire incorporate come sorgenti di elettroni in varie forme differenti di apparecchiature comportanti l'impiego di un bulbo operante sotto vuoto. La figura 4 illustra una apparecchiatura di questo tipo, a titolo di esempio illustrativo e rappr?sentata, in modo specifico, da un tubo a raggi catodici. L'apparecchiatura rappresentata nella figura 4, comprende un tubo a vuoto 33 opportunamente svasato e presentante una parete terminale rivestita di uno schermo di materiale fluorescente 34 formato sulla parte interna del bulbo. Il tubo 33 risulta ermeticamente sigillato in modo tale da consentire 1'ottenimento, all'interno dello stesso, di un ambiente sotto vuoto 20. Nel tubo 33 sono presenti gli elettrodi di focalizzazione 25, 26 e gli elettrodi di deflessione 27, 28. Il fascio elettronico 24 viene generato in una o pi? sorgenti di elettroni, realizzati in conformit? ai principi della presente invenzione, situate nel corpo di materiale semiconduttore 10. Il corpo 10 di materiale semiconduttore ? montato su di un supporto 29 all'interno del tubo 33,mentre le varie connessioni elettriche vengono formate fra gli strati di metallo 12, 13 ed i piedini terminali 30 passanti attraverso la base del tubo elettronico 33. Queste sorgenti di elettroni, realizzate in confozmit? ai principi della presente invenzione, possono pure venire incorporate, ad esempio, in dispositivi di ripresa delle immagini, del tipo "vidicon"? Un'altra apparecchiatura possibile ? costituita da un tubo di memoria, nel quale un disegno di cariche,?rappresentativo delle informazioni, viene registrato su di un bersaglio, per mezzo di un flusso modulato di elettroni, generato dalla sorgente di elettroni del corpo 10, tale disegno di cariche venendo successivamente letto per mezzo di un fascio elettronico costante generato, preferibilmente, dalla stessa sorgente di elettroni?

Deve essere rilevato che ? possibile adottare le tecnologie note impiegate per la fabbricazione dei circuiti integrati al silicio, per la creazione delle sorgenti di elettroni in conformit? all'invenzione, sotto forma di una schiera di elementi, in un corpo semiconduttore comune. Questo viene facilitato dalla semplice struttura n-p-n di queste sorgenti le quali richiedono soltanto le vaine connessioni elettrodiche alle due regioni 3 e 2, a conduttivit? di tipo n# Le figure 5 e 6 illustrano un esempio di una schiera bidimensionale di queste sorgenti di elettroni, ognuna delle quali pu? venire controllata individualmente per la regolazione della propria emissione elettronica individuale# Il corpo 10 del dispositivo schematizzato nelle figure 5 e 6, presenta, in corrispondenza .di una propria superficie principale, una schiera bidimensionale di porzioni 9 completamente isolate, ognuna presentante una struttura ad emissione di elettroni, del tipo n-?-n, simile a quella rappresentata nella figura 1. Tuttavia, la massa del corpo 10 risulta ora costituita da materiale di tipo E? leggermente drogato, nel quale le seconde regioni 2 vengono fom ite come isole di tipo n# Le sorgenti elettroniche individuali sono collegate fra di loro, in un sistema a barre trasversali X-Y? Le regioni 3 di tipo n, delle porzioni 9, in ogni direzione X della schiera, presentano una connessione elettrodica comune 13(1), 13(2), e cos? via, estendentesi nella direzione X in modo tale da stabilire il contatto con le regioni 3, in corrispondenza delle superfici superiori delle porzioni a mesa 9# Le isole di tipo n stabilenti le regioni 2, si presentano sotto forma di strisce 2(1), 2(2), 2(3), e cos? via, le quali si estendono nella direzione Y della schiera, per collegare fra di loro, in un'isola comune, le regioni 2 di tipo n delle varie sorgenti individuali di elettroni, di tipo n-p-n, in ogni direzione Y? Ognuna di queste strisce, di tipo n 2(1), 2(2), 2(3), e cos? via, presenta una connessione elettrodica 12(1 ), 12(2), 12(3), e cos? via, che viene a contatto della propria striscia, attraverso una regione di contatto, fortemente drogata, una delle quali f 22(2) 7 ? stata illustrata nella figura 6? Queste regioni di contatto possono venire formate nelle corrispondenti porzioni separate delimitate da ossido, adottando lo stesso trattamento di drogaggio impiegato per la formazione delle regioni 3, di tipo n? Queste porzioni separate a regione di contatto 9, vengono mascherate, nei confronti del trattamenti di drogaggio impiegato per la formazione delle regioni 1 a conduttivit? di tipo j>. Le varie sorgenti individuali di elettroni della schiera X-Y possono venire controllate selezionando le connessioni elettrodiehe 12(1), 12(2), e cos? via e 13(1), 13(2), e cos? via, alle quali vengono applicate le tensioni operative V(Y) e v(x) per polarizzare la regione 3 positivamente rispetto alla regione 2, per l'emissione degli elettroni? Possono venire applicate polarizzazioni di valore differente V(X1), V(X2), V(Y1), V(Y2), ^>*t

e cos? via, a connessioni differenti, in modo tale da consentire R emissione di differenti flussi di elettroni 24 da parte delle differenti sorgenti di elettroni, in modo tale da generare un disegno desiderato di flussi di elettroni dall'intera schiera? Questo dispositivo a schiera, di tipo bidimensionale, risulta particolarmente utile come una sorgente di elettroni in un dispositivo di visualizzazione il quale pu? presentare un tubo a vuoto 33 pi? piatto del tubo a raggi catodici schematizzato nella figura 4* In un dispositivo piatto, di questo tipo, l'immagine pu? venire prodotta su di uno schermo fluorescente 34, in corrispondenza di un lato del tubo, per mezzo della generazione di differenti configurazioni di flussi elettronici dalla schiera nel corpo 10, montata in corrispondenza del lato opposto del tubo, anzich? operare una deflessione di un singolo fascio elettronico, come si verifica in un tubo a raggi catodici?

Questa schiera bidimensionale risulta pure utile per la litografia elettronica, nella fabbricazione di dispositivi semiconduttori, circuiti integrati ed altri dispositivi a stato solido del tipo micromi? niaturizzato. In questa applicazione, la schiera viene montata, come sorgente di elettroni, in una camera di un apparato di esposizione di tipo litografico? La camera viene collegata ad ima pompa di vuotatura, per creare un certo vuoto nella camera, per le operazioni di esposizione? Il corpo del dispositivo a stato solido che viene fabbricato, viene introdotto nella camera e lo stesso presenta, sulla propria superficie, uno strato protettivo sensibile agli elettroni il quale viene quindi esposto al disegno di flusso di elettroni dalla schiera a sorgente di elettroni, ad esempio attraverso un sistema di lenti, di tipo elettronico? Successivamente, il corpo del dispositivo a stato solido, viene rimosso dalla camera e trattato ulteriormente, operando in modo noto.L?impiego di una schiera di sorgenti di elettroni, di tipo bidimensionale, a semiconduttori, per dispositivi di visualizzazione e per litografia elettronica, ? gi? stato descritto nella domanda di brevetto U.K? 7902455 (riferimento interno della Titolare: PHN 9025), pubblicata come GB 2013398A e alla quelle pu? essere fatto riferimento per ulteriori dettagli specifici?

Per evidenti ragioni di chiarezza nei disegni, un rivestimento 14 non ? stato rappresentato come incluso nella struttura rappresentata nelle figure 5 e 6? Tuttavia, un rivestimento 14 di questo tipo pu? essere formato in corrispondenza dell'area superfid ale 4 di ognuna delle porzioni a mesa della sorgenti di elettroni di tipo n-?-n, del dispositivo rappresentato nelle figure 5 e 6? Quantunque nelle figure 5 e 6 siano state rappresentate, a titolo di esempio, aperture sostanzialmente quadrate nelle connessioni elettrodiche 13, in corrispondenza delle aree superficiali emittenti 4, deve essere rilevato che queste aperture possono presentare un'altra configurazione, ad esempio una configurazione circolare. In particolare in schiere bidimensionali, di notevoli dimensioni, pu? essere presente una regione affondata, di tipo n, fortemente conduttiva (n+) lungo la parte di fondo di ogni striscia 2(l), 2(2), 2(3), e cos? via, a conduttivit? di tipo n, per ridurre la resistenza serie.

Deve essere rilevato che entro lo spirito e 10 scopo dell'invenzione sono possibili varie altre modifiche. Pertanto, quantunque la struttura 2-1-3 , di tipo n-?-n presenti connessioni elettrodiche soltanto per la seconda regione 2 e per la terza regione 3, di tipo n, vale a dire senza che esista una connessione elettrodica per la regione intermedia 1, 11 coipo 10 di una sorgente di elettroni in conformit? all'invenzione, pu? presentare elettrodi supplementari non collegati alla struttura 2-1-3 di tipo n-?-n. Pertanto, una sorgente di elettroni conforme all'invenzione, pu? includere pure un elettrodo di accelerazione isolato dalla superficie di materiale semiconduttore ed estendentesi attorno al bordo dell'area superficiale 4 della terza regione 3 a conduttivit? di tipo n, dalla quale vengono emessi gli elettroni fortemente eccitati 24. in questo caso, la terza regione 3 di tipo n pu? venire contattata dalla propria connessione elettrodica 13 attraverso una profonda regione di contatto di tipo n in corrispondenza di un'area distante dallferea superficiale 4

dalla quale vengono emessi gli elettroni fortemente eccitati 24. L'impiego di un elettrodo isolato di accelerazione per un tipo differente?di sorgente di elettroni, al di fuori dello scopo della presente invenzione, ? gi? stato descritto nella pubblicazione

GB 2013398A precedentemente indicata, alla quale pu? essere fatto riferimento specifico? E* pure possibile la suddivisione di questo elettrodo supplementare isolato, per scopi di deflessione, in due o pi? elettrodi isolati separati, attorno all'area superficiale 4? Anzich? impiegare un.corpo di silicio monocristallino 10, il corpo di materiale semiconduttore di una sorgente di elettroni conforme all'invenzione,

pu? venire realizzato con 1'inpiego di un altro materiale semiconduttore costituito, ad esempio, da un composto di materiali semiconduttori di elementi dei gruppi III-V^oppure ? possibile impiegare silicio policristallino o silicio amorfo idrogenato, depositato su di un substrato di vetro o di qualsiasi altro materiale di tipo appropriato.

Nelle versioni sinore descritte con riferimento alle figure 1, 2, 3, 5 e 6, la terza regione 3, a conduttivit? di tipo n, forma l?area superficiale 4 dalla quale gli elettroni 24 vengono emessi nello spazio libero. Tuttavia, la terza regione 3, a conduttivit? di tipo n, in una sorgente di elettroni entro lo scopo dell'invenzione, pu? essere separata dall?area superficiale 4 per mezzo di almeno un ulteriore regione presentante una concentrazione di droganti di tipo j>, in grado di introdurre un picco di potenziale nel corpo, per la formazione, adiacentemente all'area superficiale 4, di un campo elettrico che favorisce l'emissione degli elettroni 24 attraverso il confine del corpo 10, in corrispondenza dell'area 4? Le sorgenti di elettroni che presentano queste regioni generanti un canpo elettrico, con una elevata concentrazione di droganti di tipo j>, sono state descritte e rivendicate neU cT^Smanr?a-di-' .nella .correiativa domanda di breve.it.o....8l_.XlLo.stra .__t_ rif.erim.ento: -3?25,25.)?_???.?-A._s.t.gdb,a?dfip.as?.ta.ta_.l.o.j__ I

i ..stesso,giorn o della_p.r_esm _te_-domanda e ehe...?.pure_ ..intIto.lata "Elec.tr_o.n_s.o.ur.c_e.s .and .Eqnipment.having elec--tron sources". Si invita a..far__riferimento _a .questa ..correlativa dcmanda_bLi_breveti o._

.. . . RlVEMUIGAZiaai _

. . 1. Porgente di elettroni per l'emissione .di un_flusso, di elettroni,, cpmprendente un__corpo_

.semiconduttore, una struttura p-p-n formata nel corpo. da una prima regione di tipa p_tra una seconda ...ei.una terza regione di tipo n. gli elettroni essendo ..generati nella sudd?tta struttura n-p?n per Iberni ..sione.-dm .un 'area superficiale del suddetto corpo .._dop.o_.la circolazione dalla seconda regione attra-..verso,la..prima e_la terza .regione, c?aratteri_zzata .dai_ fatto..elle.la-.struttura ?-?-?_/presenta connessioni ele_t.tr.o_diche.facenti capo soltanto alla sud-.detta seconda _e .terza.regione, dal fatto che la pri-.ma .regione realizza una regione di barriera che 1 _mita-il. flusso...di. elettroni dalla seoonda regione _alla t?rza regione, finche una differenza di potenziale, viene. applicata tra le suddette connessi nx _el.et.trodiche per.poiarizzare p ositivamente la ter a

regione. rispett-o.-.alla_s-econda regione .e..p_er_s.ia= .

bil.ire una alimentazione, di.elettroni fortemente _eccitati__inie_ttati nella _suddetta .terza,regione .con ..

_ f.iciale in.corrispondenza della .suddetta.

. eu.perfinial.e. _corpo.,_la .suddetta

_.gi_one.di barr?era_.fo_rm.ando. strati di esaurimento o impoverimento .sia con la seconda che con la t_er_za .regione di tipo n ed avendo uno,spessore ed ...una concentrazione di droganti tale da risultare .impoverii a._di pe_r_ effetto della fusione, dei _ suddetti, strati di. esaurimento m x nella regione .di_bar_r_i.era., almn o quando la suddetta differenza di__pot_en.ziale._?:E?KH viene applicata tra le suddet connessioni elettrodi che per stabilire la suddett _ aliment azione _di.elettroni fortemente eccitati. _ mente eccitati i quali vengono iniettati nella/terza regione di tipo n, allo scopo di superare il lavoro di estraziorfe degli elettroni in corrispondenza di detta regione 'superficiale del corpo semiconduttore mentre, per stabilire detta alirnentazione di elettroni fortemente eccitati, lo strato di barriera di tipo ? presenta uno spessore ed una concentrazione dei droganti tali per /Ciis^ quando viene applicata detta differenza di7 potenzile, almeno Tina parte dello strato di/barriera vi eneXimp o veri to entro l 'intero proprio?' spessore, per effetto^ della fusione delle regio ni^di esaurimento associate alle giunzioni ?-n fra detta prima regione di tipo ? e la seconda e /la terza regione di tipo n?

2, Q?-gpnqi tivo? f.onH.ror?dnttore secondo la rivendica -ione 1 , ni teriormente caratterizzato dal fatto che detta regione di tipo n presenta una concentrazione di droganti, determinanti il tipo di conduttivit?, superiore a quella della prima regione di tipo ? e da quella di almeno quella parte della seconda regione di tipo n che risulta adiacente alla prima regione?

1 . -D^sposilivo semiconduttore secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, ulteriormente carrai terizzato dal fatto che almeno la parte della seconda regione di tipo n adiacente alla prima regione, presenta una concentrazione dei droganti determinanti il tipo di conduttivit?, inferiore a quella della prima regione?

4. -Dispositivo gemicati dnttoj^ar- gpmwdn una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni , ulteriormente caratterizzato dal fatto che uno strato di isolamento , dotato di aperture, risulta affondato, per almeno una parte del proprio spessore, in detto corpo, ' ' Ai fi** Wcu H allo scopo di formare almeno una porzioneYdel corpo delimitata, lateralmente, dallo strato isolante affondato e dal fatto che la prima regione e la terza regione sono formate entro detta porzione e delimitate, attorno ai loro bordi, dallo strato affondato di isolamento?

5. vou-, semieeadu t tease secondo la rivendicazione 4, ulteriormente caratterizzato dal fatto ??<? -iche la superficie superiore della porzione delimitata dallo strato isolato affondato, fornisce detta area superficiale dalla quale vengono emessi gli elettroni e dal fatto che una connessione elettrodica viene a contatto di detta terza regione di tipo n, in corrispondenza di detta superficie superiore della porzione ad altipiano, o a "mesa" mentre si estende su detto strato affondato di isolamento.

'i a**A a. VV'1?3

6, Bisptrsirtivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, ulteriormente caratterizzato dal fatto che detto coipo presenta, in corrispondenza di una superficie principale, una schiera bidimensionale di dette strutture n-jv-n, dal fatto che le terze regioni di tipo n in una direzione della schiera, presentano una connessione elettrodica comune che si estende in detta prima direzione e dal fatto che le seconde regioni di tipo n, in una direzione trasversale della schiera, formano una striscia comune di tipo n estendente si in detta direzione trasversale?

7? -Disposi tivo semicondut tore secondo ima qualsiasi delle precedenti rivendicazioni , ulteriormente caratterizzato dal fatto che detta regione di barriera non risulta inpoveri ta per ima parte del proprio spessore per effetto degli strati di inpoveriraento c OyW-rtpU-g g-? un 7?-??>?? fra Ira IO y lune? d?r-harri er la seconda e la terza regione di tipo n, in corrispondenza di una tensione di polarizzazione pari a zero, 1 * applicazione di ima differenza di potenziale presentante almeno un livello minimo prestabilito, essendo necessaria fra dette connessioni elettrodiche, per allargare detti strati di esaurimento entro 1 * intero spessore di detta regione di barriera, allo scopo di stabilire detta alimentazione di elettroni fortemente eccitati presentanti una energia sufficiente a superare il lavoro di estrazione degli elettroni in corrispondenza di detta area superficiale.

-eiLs- W/VJ

8. Dirspo-si tivo? semicondut tore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che lo spessore e la concentrazione dei droganti della regione di barriera sono tali per cui gli strati di inq>overimento formati in corrispondenza di una polarizzazione pari a zero, con entrambe le regioni rappresentate dalla seconda regione di tipo n e dalla terza regione di tipo n, si fondono almeno in detta regione di barriera.

'?J ?o'si ?. <?? ?jk. ^

9 . -?jgpQ si ti vo semiconduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta area superficiale del corpo viene ricoperta di un materiale in grado di ridurre il valore del lavoro di estrazione degli elettroni.

10. Dispositivo semiconduttore secondo una qualsiasi delle^prqcedenti rivendicazioni , incensi il corpo semiconduttor^v^un^o alii^or^?ma parte della periferia della terza^ppr^nToije^^. tipo n, ? dotato di almeno un^ele,ttrodo, elettrica??eAte isolato dal corpo ^semiconduttore.

11 . Apparecchiatura comprendente un bulbo s&tto

Claims (1)

1. 21

   _ _ 10.. _ Hoxgent s._.di. elettroni . sosinnulalnient-ei -i ? ln_ conformit? a -quanto.. descritto con rlf erirentn. 4 _

   - alla- .figura 1, alla .figu.ra_2-.,- .alla , figura 3 ,._all.a_

   ..-figura 5 e 6 dei disegni- allegati - . _ _

   _ 11.. .Appareaciiatur_a_.comprendent e__u.n_bulbo sotto-minio- entro., il -auale_.e_ip_os sibila mantenere .

   un-g.r.ado .di ...vuoto.,? ad .una.. s organi e Irai e introni. in.

   - -c onf ormit? a . q u ani o....ri v endi c al o in una. qual siasi

   i

   &

   . _d.ell-e. .rivendi c anioni pre_c_e.d_eni i T la suddetta sorgente di Pi! <?t Inori i essendo montala entro il _bulbo__p_er|_ 1?. emissione di elettroni, .n.e.1. suddetto, vuoto durante. _ _ _il? funsi onament O? .dell, lappar e c .chi.atur a.

   *ER TRADITONE CONFORME UFFICIO BR?VE&ri INC. C. GR?CORJ