NL8600235A - Halfgeleidende kathode met secundaire emissie en buizen voorzien van een dergelijke kathode. - Google Patents

Description

1 ί ί -1- V0 8022

Half geleidende kathode met secundaire emissie en buizen voorzien van een dergelijke kathode._

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een kathode met secundaire emissie en meer in het bijzonder op een halfgeleider-kathode met secundaire emissie in een buis met groot vermogen en dwars-veld, welke een kathode vereist, die een grote stroomdichtheid kan 5 voeren.

De bekende kathoden met secundaire emissie, welke zijn vervaardigd uit zeer dunne isolatiefilms van bijvoorbeeld BeO, AIO en MgO, met een dikte van bij benadering 50 £, bezitten ten gevolge van het tunneleffect een vergrote geleiding. Derhalve kunnen zij grote stroom-10 dichtheden (bij benadering 1 tot 10 amp. per cm2) voeren, waardoor het mogelijk is deze films als kathoden met secundaire emissie in buizen met groot vermogen en dwarsveld toe te passen. Deze dunne films worden evenwel in een betrekkelijk korte tijd door een elektronenbombardement geërodeerd. Deze films bestaan in het bijzonder uit een materiaal 15 zoals magnesiumoxyde, dat bij toepassing op buizen met groot vermogen een beperkte levensduur heeft en voor het ontgassen van de buis tijdens de vervaardiging een grote tijd vereist teneinde het mogelijk te maken, dat deze bij grote vermogens kunnen worden gebruikt. Om de levensduur van de kathode te vergroten doch zonder het ontgassingsprobleem te ver-20 beteren, zijn dikkere films voor de kathode gewenst. Dikkere films introduceren problemen ten aanzien van de effectieve geleiding van deze films, hetgeen leidt tot de aanwezigheid van laadeffecten in de films en een schadelijke beïnvloeding van de beschikbare stroomdichtheid ten opzichte van die, welke wordt verkregen bij de zeer dunne isolatiefilms.

25 Een bekende poging voor het oplossen van het probleem om een grotere elektronische geleiding in dikke isolatiefilms te verkrijgen, is het introduceren van metallische deeltjes in die isolatiefilm.Een voorbeeld van een dergelijk materiaal is magnesiumoxyde, dat gouddeeltjes bevat.

De metallische deeltjes leiden tot een verbeterde geleiding van het mate-30 riaal. Er treedt evenwel een sterke degradatie van de secundaire emissie-verhouding op. Bovendien is het niet te verwachten, dat de geringe toename in dikte, welke mogelijk wordt gemaakt door het toevoegen van metallische deeltjes, aan de eisen voldoet, die aan een kathode met lange levensduur worden gesteld.

* ,-. -, » ί * -2-

Derhalve is een doel van de uitvinding het verschaffen van een kathode met secundaire emissie, welke in staat is om met een grote stroomdichtheid te werken en welke een lange levensduur heeft omdat de verbeterde geleiding daarvan het mogelijk maakt, dat een dikkere ka-5 thode wordt gebruikt. Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een kathode net secundaire emissie, welke weerstand kan bieden aan het elektronenbombardement, dat de kathode ondergaat bij het gebruik daarvan in een vacuümbuis met groot vermogen en dwarsveld. Een kenmerk van de uitvinding is, dat de ontgassingstijd van een buis, waarbij ge-10 bruik wordt gemaakt van de halfgeleiderkathode, klein is ten opzichte van die van de bekende kathoden aangezien er in de halfgeleiderkathode geen zuurstof aanwezig is in tegenstelling met de uit een dunne film bestaande oxydekathoden. Een verder kenmerk van de uitvinding is, dat een pulswerking van de buis volgens de uitvinding leidt tot een uitgangspuls 15 met een kleine stijgtijd en een niet-waameembare "jitter" van de voorrand van de puls, als gemeten in de een paar nanosec.-bedragende beperkingen van de instrumenten.

De bovengenoemde problemen worden opgelost en andere oogmerken en voordelen van de uitvinding worden verkregen door een kathode en 20 buis volgens de uitvinding, welke laatste is voorzien van een halfgeleiderkathode met secundaire emissie. Een uit galliumarsenide bestaande halfgeleider, welke is gedoteerd met een verontreiniging om de halfgeleider meer geleidend te maken dan het intrinsieke galliumarsenide blijkt beter te voldoen dan de bekende kathoden met secundaire emissie, 25 wanneer de kathode wordt gebruikt bij een versterkerbuis met groot vermogen en dwarsveld, welke met een grote gemiddelde en piekstroom werkt. Bij een uit galliumarsenide bestaande kathode vertoont de versterkerbuis met dwarsveld een radio-frequente uitgangspuls, welke een kleine stijgtijd en een sterk gereduceerde voorrand "jitter" heeft ten opzichte 30 van de werking van dezelfde versterkerbuis met dwarsveld, voorzien van een conventionele kathode met secundaire emissie.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een gedeeltelijke dwarsdoorsnede, gedeeltelijk in uiteen-35 genomen isometrisch aanzicht van een versterkerbuis met dwarsveld voorzien van een kathode volgens de uitvinding; : ,} 'j -3- -, * O' * fig- 2 een dwarsdoorsnede van de gemonteerde versterkerbuis volgens fig, 1, beschouwd over de lijnen II-II; fig. 3 de secundaire emissie-verhoudingen van een aantal halfge-leidermaterialen; en 5 fig. 4A, 4B en 4C bedrijfskrommen van een versterkerbuis met . dwarsveld volgens de uitvinding.

Een versterkerbuis 10 met dwarsveld, welke is voorzien van een halfgeleiderkathode 11 is gedeeltelijk in dwarsdoorsnede en gedeeltelijk uiteengenomen in fig. 1 aangegeven. De buis 10 omvat een anode 12 met 10 een ingangsgolfgeleider 13 en een uitgangsgolfgeleider 14. De anode omvat een holte 15, gevormd door bovenste en onderste wanden 16 respectievelijk 17, een buitenwand 18 en vanen 28, die zich evenwijdig aan de symmetrie als 190 van de buis uitstrekken. De vanen 28 strekken zich ook radiaal uit en zijn aan de uiteinden daarvan aan de respectieve boven- en onder— 15 wanden 16, 17 bevestigd. Elke vaan 28 bezit een zich in radiale richting uitstrékkende lip 19. De lippen 19 zijn bij naastelkaar gelegen vanen 28 in longitudinale richting ten opzichte van elkaar verplaatst, waarbij van afwisselende vanen de respectieve lippen in hetzelfde longitudinale vlak zijn gelegen. Modus onderdrukkingsringen 20, die in longitudinale 20 richting ten opzichte van elkaar zijn verschoven, om overeen te komen met de longitudinale verplaatsing van de lippen 19, zijn aan de lippen in de bijbehorende respectieve vlakken bevestigd. De ringen 20 bezitten elk een (niet weergegeven) spleet in het gebied tussen de respectieve ingangs- en uitgangsgolfgeleiders 13, 14. De golfgeleiders 25 13, 14, die in fig. 1 uiteengenomen zijn weergegeven, zijn met de wand 18 van de holte 15 bij respectieve openingen 21, 22 van de wand 18 verbonden. Elke golfgeleider 13, 14 bevat een respectieve impedantie aanpassingswig 131, 141. De wig kan ook een andere vorm hebben, zoals een getrapte ribbe, zoals op zichzelf bekend is. Elke wig 131, 141 is 30 door een geleider 132, 142 met een verschillende ring van de modus onderdrukkingsringen 20^, 202van fig. 2 verbonden. Een andere geleider 133, 143 is tussen elke golfgeleider 13, 14 en de respectieve andere ring 20^, 20^ verbonden. Omdat de buis 10 is geëvacueerd, bevat elke golfgeleider een vacuüm afdichting 134, aangegeven in fig. 2. Aan de bovenwand 16 en 35 de onderwand 17 van de holte 15 is een magnetisch stelsel 23, 24 gesoldeerd teneinde te voorzien in een stelsel, dat een in longitudinale i -4- ' ï » richting gericht magnetisch veld opwekt wanneer dit met een (niet weergegeven) magneet wordt verbonden. Het magnetische stelsel 23 omvat twee cirkelvormige stalen platen 231, 232, welke aan een week ijzeren schijf 233 zijn gesoldeerd. Een vacuüm buis 234, welke zich naar buiten voor-5 bij een centrale opening in het magnetische stelsel 23 uitstrekt, wordt na het evacueren van een gemonteerde buis afgedicht. Het magnetische stelsel 24 met de platen 241, 242 en de schijf 433, is aan de onderwand 17 van de holte 15 bevestigd. Het magnetische stelsel 24 bezit in het midden daarvan een opening, door welke opening zich de kathode onder-10 steuningspijp 25 uitstrekt. Een schijf 26 vormt een vacuüm afdichting tussen de onderste stalen plaat 241 van het stelsel 24 en de hoogspan-ningsisolator 27. De isolator 27 is ook met een vacuüm isolatie-afdichting met de kathode ondersteuningspijp 25 verbonden. Derhalve vormt de in fig. 2 af geheelde buis 10 een vacuüm*-dicht stelsel.

15 Het kathodestelsel 11 omvat de kathode ondersteuningspijp 25, welke boven is genoemd, waaraan een cilindrische klos 29 met bovenen onderwanden 290, 295 is bevestigd, waarbij de beide wanden zijn voorzien van randen 291 , die voorbij de cilindrische wand 292 uitsteken teneinde een holte te vormen, waarin het halfgeleidende kathodemateriaal 20 293 met secundaire emissie is ondergebracht. De klos 29 bezit een ge- bied 294 tussen de wand 292 en de pijp 25, welk gebied met water is gevuld voor het met water koelen van de kathode. Voor het koelen strekt een watertoevoerpijp 251 zich langs het inwendige van de pijp 25 uit naar een uittredepoort 253, waar het water het gebied 294 vult. Het 25 water in het gebied 294 treedt uit via een poort 252, welke is verbonden met het inwendige van een pijp 254, welke is voorzien van een uittrede-pijp 255, via welke pijp het koelwater uittreedt. De pijp 25 is voorzien van een van schroefdraad voorzien uiteinde 256 en een daarmede samenwerkende moer 257 waarmede de negatieve klem van een (niet weergegeven) 30 hoogspanningsvoedingsbron is bevestigd, waarbij de anode 12 is geaard.

Om de buitenwand 18 van de microgolf holte 15 bevindt zich een concentrische wand 30, welke, in combinatie met uitsteeksels van de respectieve boven- en onderwanden 16, 17 van de holte 15 een kamer 31 vormt, via welke kamer water 32 stroomt teneinde de anode 12 te koelen. 35 Poorten 33, 34 voorzien in töevoerpunten voor de kamer 31 via welke poorten het water respectievelijk binnentreedt en uittreedt.

-5-

De buis 10 met dwarsveld is in fig- 1 weergegeven zonder de (niet afgeheelde) magneet, welke nodig is om in het samenwerkingsgebied 35, dat tussen het secundaire emissiemateriaal 293 van de kathode en dë vanen 28 is gelegen, een in de lengterichting georiënteerd magne-5 tisch veld op te wekken. De magneet is voorzien van noord- en zuidpool-vlakken, welke in de respectieve holtem 235 en 236 van de magnetische stelsels 23, 24 glijden.

De dwarsdoorsnede van de buis 10', weergegeven in fig. 2, toont duidelijker dan fig. 1 enige van de kenmerken van de buis 10. De door-10 snede volgens fig. 2 is beschouwd over de lijn Il-ïl van fig. 1. Fig. 2 toont de vacuüm afdichting 131 aan het einde van de golfgeleider 13.

De impedantie aanpassingswig 131 is weergegeven als door een geleider 132 met de modus onderdrukkingsring 20^ te zijn verbonden. Voorts is de verbinding van de andere ring 202 door de geleiders 131 met de wand 15 van de golfgeleider 13, waar de golfgeleider bij de wand 18 van de holte 15 eindigt, aangegeven.

Fig. 3 toont krommen van de secundaire emissieverhouding als een functie van de energie van invallende primaire elektronen in volt voor verschillende halfgeleiders, zoals deze in de stand der techniek zijn 20 beschreven. De krommen 50, 51 en 52 stellen de secundaire emissieverhouding voor respectievelijk galliumarsenide, cadmiumsulfide en cadmiumtel-luride voor. Het doteemiveau, indien aanwezig, is onbekend. Dit academisch van belang zijnde verschijnsel kan aanwezig zijn in andere halfgeleiders dan die, welke zijn opgesomd. Men vindt in de stand der tech-25 niek evenwel geen suggestie, dat halfgeleiders van nut kunnen zijn als secundair emitterende kathoden in velden met dwarsveld, waar factoren, die verschillen van de secundaire emissieverhoudingseigensehap van het materiaal, van vitaal belang zijn. Meer in het bijzonder moeten half-geleiderkathoden ten gebruike als secundair emitterende kathoden in ver-30 sterkerbuizen met groot vermogen en dwarsveld behalve dat zij een grote secundaire emissieverhouding hebben, voor een lange levensduur betrekkelijk dik zijn, terwijl zij toch nog steeds in staat moeten zijn om grote stroomdichtheden voor de bij buizen met groot vermogen en dwarsveld vereiste stroomniveaus te verschaffen. De haLigeleiderkathode moet ook 35 een geringe dampdruk hebben, zodat het in de buis vereiste vacuüm niet zal worden verontreinigd door het verdampen van het halfgeleider materiaal van de kathode, wanneer dit door de invallende elektronen wordt , *

*J

-6- gebombardeerd. Voorts moet de halfgeleiderkathode in staat zijn om gedurende lange perioden een weerstand te bieden aan de erosie (derhalve de dikte-eis) welke een gevolg is van het bombardement met elektronen met grote energie, die worden teruggezonden om de kathode te treffen 5 en de secundaire emissie te verschaffen. Derhalve betekent een materiaal, dat uitsluitend een secundaire emissieverhouding bezit, welke groter is dan één, niet noodzakelijkerwijze, dat dit materiaal van nut is als een kathode bij een versterkerbuis met groot vermogen met dwarsveld.

10 De spanning, het uitgangsvermogen,en het rendement van een ver sterkerbuis met dwarsveld voorzien van een halfgeleidende met gallium-arsenide gedoteerde kathode vindt men respectievelijk in de figuren 4A, 4B en 4C. Om uit het kathodemateriaal 293 voor een kathode met een diameter van bij benadering 19 mm, een lengte van 16 mm en een 15 dikte van 50 8 de gewenste kathodestroom te verkrijgen, is het nodig , de intrinsieke halfgeleider met conventionele doteermaterialen te do teren teneinde te veroorzaken, dat de halfgeleider een voldoende geleiding bezit voor het verschaffen van de vereiste aantallen elektronen bij de vereiste stroomdichtheid. De experimentele gegevens van fig. 4A, 20 4B en 4C werden verkregen bij een kathode met de bovenvermelde afmetin-gen, die een dot eerdichtheid van het p-type van 10 gaten per cm3 had. Men kan grotere stromen, dan die, welke zijn aangegeven, verkrijgen. Andere doteerniveaus met doteermiddelen van het p- of n-type werken evenwel op een bevredigende wijze afhankelijk van de voor het kathode-25 materiaal en de dikte daarvan vereiste stroomdichtheid. De keuze van de halfgeleider, het doteermiddel en de doteerdichtheid worden in enige mate bepaald door de toelaatbare dampdruk, de bombardement-bestendigheid en de vereiste stroomdichtheid.

Een grotere dikte van het kathodemateriaal 293 zou tot een 30 grotere levensduur van de kathode leiden ofschoon de levensduur van de gallium-arsenidekathode met een dikte van 50 8 niet experimenteel is bepaald. Bij dit kathodemateriaal is de geleiding geen beperking voor de toelaatbare dikte en derhalve de levensduur van de buis en dikten van 500.000 8 zijn redelijk. De gallium-arsenidekathode leidde 35 tot een buis met een zeer kleine stijgtijd van de uitgangspuls en een zeer geringe voorrand uitgangspuls "jitter" ten opzichte van die, Γ1 /" - ' -7- verkregen bij een vergelijkbare buis met een conventionele MgO-kathode.

De lage overkruisingswaarde (bij benadering 20 volt) van de halfgeleider-kathode draagt bij tot de starteigenschap met geringe "jitter". Een ander voordeel van de halfgeleiderkathode volgens de uitvinding is, dat 5 de grote secundaire emissie ten opzichte van de bekende kathoden het mogelijk maakt, dat hogere pulsvermogens kunnen worden verkregen dan bij buizen, waarbij gebruik wordt gemaakt van kathoden met dezelfde afmeting van bekend type. Derhalve kan met kleinere buizen hetzelfde uitgangsvermogen worden verkregen als bij grotere bekende buizen. Het 10 voordeel van het gebruik van een buis met geringere afmetingen voor het verschaffen van een bepaald niveau van het uitgangsvermogen is, dat minder modus-interferentie optreedt hoe geringer de afmeting van de onderlinge samenwerkingsruimte 35 is.

J

Claims (15)

1. Halfgeleiderkathode,met het kenmerk, dat de halfgeleider een secundaire emissieverhouding, welke groter is dan één, heeft.

2. Halfgeleiderkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kathode doteermateriaal bevat om elektrische geleiding van de kathode 5 te vergroten.

3. ' Halfgeleiderkathode volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het doteermateriaal een materiaal van het p-type is.

4. Halfgeleiderkathode volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het doteermateriaal een materiaal van het n-type is.

5. Halfgeleiderkathode volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het halfgeleidarmateriaal wordt gekozen uit de groep welke gallium-arsenide, cadmiumsulfide en cadmiumtelluride omvat.

6. Halfgeleiderkathode volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het halfgeleidermateriaal uit galliumarsenide van het p-type bestaat.

7. Halfgeleiderkathode volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat 19 het galliumarsenide van het p-type een doteerconcentratie van 10 gaten per cm3 bezit.

8. Buis met dwarsveld van het type voorzien van een buis met een secundaire-emissiekathode, een anode met een trage-golfstelsel bij de 20 kathode dat tussen het trage-golfstelsel en en de kathode een samen- werkingsruimte vormt, en golfgeleiderorganen, welke met het trage-golfstelsel zijn verbonden voor het toevoeren van signalen aan en uit de buis,met het kenmerk, dat de kathode is vervaardigd uit een halfgeleider met een secundaire emissieverhouding, welke groter is dan één.

9. Buis volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de buis een ver- sterkerbuis is en de golfgeleiderorganen zijn voorzien van een ingangs-golfgeleider en een uitgangsgolfgeleider, welke beide met het trage-golfstelsel van de anode zijn verbonden.

10. Versterkerbuis volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de half-30 geleiderkathode een doteermateriaal bevat, dat de elektrische geleiding van de kathode vergroot.

11. Versterkerbuis volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het doteermateriaal een materiaal van het p-type is. -¾ ; > *' V -9-

12. Versterkerbuis volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het doteermateriaal een materiaal van het n-type is.

13. Versterkerbuis volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het halfgeleidermateriaal wordt gekozen uit de groep, welke gallium- 5 arsenide, cadmiumsulfide en cadmiumtelluride omvat.

14. Versterkerbuis volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het halfgeleidermateriaal uit galliumarsenide van het p-type bestaat.

15. Versterkerbuis volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het 19 galliumarsenide van het p-type een doteerconcentratie van 10 gaten 10 per cm3 bezit. */ — -