NL8901590A

NL8901590A - SEMICONDUCTOR DEVICE FOR GENERATING AN ELECTRONIC CURRENT.

Info

Publication number: NL8901590A
Application number: NL8901590A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1991-01-16
Also published as: DE69009303D1; EP0404246B1; JPH0330230A; EP0404246A1; DE69009303T2

Description

De uitvinding betreft een halfgeleiderinrichting voor het opwekken van een elektronenstroom met een kathode bevattende een halfgeleiderlichaam met ten minste een n-type halfgeleidergebied en een eerste p-type halfgeleidergebied, waarbij door het n-type-gebied een positieve voorspanning te geven ten opzichte van het p-type-gebied in het halfgeleiderlichaam elektronen kunnen worden opgewekt die het halfgeleiderlichaam verlaten.The invention relates to a semiconductor device for generating an electron current with a cathode comprising a semiconductor body with at least one n-type semiconductor region and a first p-type semiconductor region, wherein by giving the n-type region a positive bias relative to the p-type region in the semiconductor body, electrons can be generated leaving the semiconductor body.

Daarnaast betreft de uitvinding een opneembuis en een weergeefinrichting voorzien van een dergelijke halfgeleiderinrichting.The invention also relates to a pick-up tube and a display device provided with such a semiconductor device.

Halfgeleiderinrichtingen van de in de aanhef genoemde soort zijn beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470 (PHN 9532) van Aanvraagster.Semiconductor devices of the type mentioned in the preamble are described in Dutch Patent Application No. 7905470 (PHN 9532) of Applicant.

Zij worden onder meer gebruikt in kathodestraalbuizen, waarin zij de conventionele thermische kathode, waarbij elektronenemissie door verhitting wordt opgewekt, vervangen. Daarnaast worden zij toegepast in bijvoorbeeld apparatuur voor elektronenmicroscopie. Naast het hoge energieverbruik ten behoeve van de verhitting hebben thermische kathoden het nadeel dat zij niet direct bedrijfsklaar zijn omdat zij eerst voldoende opgewarmd moeten worden voordat emissie optreedt. Daarnaast gaat door verdamping op den duur het kathodemateriaal verloren zodat deze kathoden een beperkte levensduur hebben.They are used inter alia in cathode ray tubes, in which they replace the conventional thermal cathode, where electron emission is generated by heating. They are also used in, for example, electron microscopy equipment. In addition to the high energy consumption for the purpose of heating, thermal cathodes have the disadvantage that they are not immediately ready for operation because they first have to be heated sufficiently before emission occurs. In addition, evaporation eventually causes the cathode material to be lost, so that these cathodes have a limited life.

Om de in de praktijk lastige verhittingsbron te vermijden en om ook aan de andere bezwaren tegemoet te komen heeft men gezocht naar een koude kathode.To avoid the difficult source of heating in practice and to meet the other drawbacks, a cold cathode has been sought.

De in de genoemde octrooiaanvrage beschreven koude kathoden zijn gebaseerd op het uittreden van elektronen uit het halfgeleiderlichaam wanneer een pn-overgang zodanig in de keerrichting wordt bedreven dat lawinevermenigvuldiging optreedt. Hierbij kunnen sommige elektronen zoveel kinetische energie verkrijgen als nodig is om de elektronenuittree-potentiaal te overschrijden; deze elektronen komenThe cold cathodes described in said patent application are based on the exit of electrons from the semiconductor body when a pn junction is operated in the reverse direction such that avalanche multiplication occurs. Some electrons can obtain as much kinetic energy as is necessary to exceed the electron exit potential; these electrons come

Jam <·<*« «I AAM UaJ. amw A4A*«1 a 1* A U 1 AWAMAM η Ί <ΐιιη Λ Λ VI Λ Ί Λ Ir 4- ΊΛΛν» Λ VI 4· VI Λ ΛΜJam <· <* «« I AAM UaJ. amw A4A * «1 a 1 * A U 1 AWAMAM η Ί <ΐιιη Λ Λ VI Λ Ί Λ Ir 4- ΊΛΛν» Λ VI 4 · VI Λ ΛΜ

De daar beschreven kathoden zijn bovendien voorzien van een versnellings- of poortelektrode.The cathodes described there are additionally provided with an acceleration or gate electrode.

In dit type kathoden streeft men naar een zo hoog mogelijke rendement, o.a. te bereiken door een zo laag mogelijke uittree-potentiaal voor de elektronen. Dit laatste wordt bijvoorbeeld bewerkstelligd door het aanbrengen van een laag uittree-potentiaalverlagend materiaal op het oppervlak van de kathode. Bij voorkeur wordt hiervoor cesium gekozen omdat dit een maximale verlaging van de elektronen-uittreepotentiaal veroorzaakt.In this type of cathode the aim is to achieve the highest possible efficiency, among other things to be achieved by the lowest possible exit potential for the electrons. The latter is accomplished, for example, by applying a layer of exit potential-lowering material to the surface of the cathode. Preferably, cesium is chosen for this because it causes a maximum reduction of the electron exit potential.

Het gebruik van cesium kan echter nadelen hebben. Zo is cesium erg gevoelig voor de aanwezigheid (in de gebruiksomgeving) van oxyderende gassen (waterdamp, zuurstof, CC^). Bovendien is cesium tamelijk vluchtig hetgeen nadelig kan zijn bij die toepassingen waarbij zich substraten of preparaten in de nabijheid van de kathode bevinden, zoals bijvoorbeeld het geval kan zijn bij elektronenlithografie of elektronenmicroscopie. Het verdampte cesium kan dan op de genoemde voorwerpen neerslaan.However, the use of cesium can have drawbacks. For example, cesium is very sensitive to the presence (in the environment of use) of oxidizing gases (water vapor, oxygen, CC ^). In addition, cesium is quite volatile, which may be disadvantageous in those applications where substrates or preparations are in the vicinity of the cathode, as may be the case, for example, in electron lithography or electron microscopy. The evaporated cesium can then deposit on the said objects.

Om te trachten deze problemen te voorkomen, wordt in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675 (PHN 11.670) van Aanvraagster voorgesteld een intrinsieke halfgeleiderlaag aan te brengen tussen het p-type gebied en het n-type gebied.In order to try to prevent these problems, the Netherlands Patent Application No. 8600675 (PHN 11.670) of Applicant proposed to apply an intrinsic semiconductor layer between the p-type region and the n-type region.

Door de praktisch intrinsieke laag wordt in de halfgeleiderinrichting een gebied geïntroduceerd dat in de bedrijfstoestand volledig gedepleerd is en waarbij in praktisch dit gehele gebied een maximale veldsterkte heerst. Hierdoor vindt de generatie van elektronen eerder plaats en met een hogere potentiële energie, terwijl de gegenereerde elektronen in het intrinsieke gedeelte een geringe verstrooiing aan geïoniseerde doopstofatomen ondergaan, waardoor de effectieve vrije weglengte vergroot wordt.Due to the practically intrinsic layer, an area is introduced into the semiconductor device which is fully depleted in the operating state and wherein a maximum field strength prevails in practically this entire area. As a result, the generation of electrons takes place earlier and with a higher potential energy, while the generated electrons in the intrinsic part undergo a small scattering of ionized dopant atoms, thereby increasing the effective free path length.

Doordat bovendien elektronenemissie mogelijk blijkt ten gevolge van het tunneleffect wordt een hoger rendement bereikt.Moreover, because electron emission appears possible as a result of the tunnel effect, a higher efficiency is achieved.

De onderhavige uitvinding stelt zich onder meer ten doel het rendement van een dergelijke halfgeleiderkathode op een andere wijze te verhogen.One of the objects of the present invention is to increase the efficiency of such a semiconductor cathode in another way.

Een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat het n-type gebied een dikte bezit van ten hoogste 4 nanometer. Bij voorkeur is deze dikte kleiner dan 2 nanometer.To this end, a semiconductor device according to the invention is characterized in that the n-type region has a thickness of at most 4 nanometers. Preferably, this thickness is less than 2 nanometers.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat bij een dergelijke geringe dikte ( een of enkele atomaire lagen) kwantisatieeffecten optreden waardoor de effectieve uittreepotentiaal verlaagd wordt.The invention is based, inter alia, on the insight that at such a low thickness (one or a few atomic layers) quantization effects occur, as a result of which the effective exit potential is lowered.

Daarnaast berust zij op het inzicht dat door een kleinere dikte d de factor e~(λ: vrije weglengte) die mede het rendement bepaalt, aanzienlijk groter wordt.In addition, it is based on the insight that a smaller thickness d significantly increases the factor e ~ (λ: free road length), which also determines the efficiency.

Het toepassen van dergelijke gebieden met een dikte van een of enkele atomaire lagen is mogelijk door het aanbrengen van zogenaamde "δ-doping" of "Planar Doping" structuren. Een degelijke n- type (of p-type) laag kan door de speciale manier van aanbrengen een gedeeltelijk intrinsieke toplaag bevatten. Waar in deze Aanvrage sprake is van een dunne n-type of p-type laag, wordt daaronder dan ook tevens een dergelijke dubbellaag uit een n-type of p-type laag en een dunne intrinsieke laag verstaan. Onder intrinsieke laag wordt dan een “P-type 16 of π-type laag verstaan met een dotering van ten hoogste 5.10 atomen/cm3The use of such regions with a thickness of one or a few atomic layers is possible by applying so-called "δ-doping" or "Planar Doping" structures. A solid n-type (or p-type) layer can contain a partly intrinsic top layer due to the special method of application. Where in this Application there is talk of a thin n-type or p-type layer, this also includes such a double layer of an n-type or p-type layer and a thin intrinsic layer. Intrinsic layer is then understood to mean a “P-type 16 or π-type layer with a doping of at most 5.10 atoms / cm3

Om het rendement verder te verhogen, kan de dunne n-type laag ook met opzet van het p-type gebied zijn gescheiden door een intrinsieke halfgeleiderlaag op dezelfde wijze als beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675 (PHN 11.670) van Aanvraagster.To further increase the efficiency, the thin n-type layer may also be deliberately separated from the p-type region by an intrinsic semiconductor layer in the same manner as described in Netherlands Patent Application No. 8600675 (PHN 11.670) of Applicant.

De bovengenoemde kwantisatie-effecten treden ook op, wanneer de dunne n-type laag zich bevindt tussen twee p-type gebieden.The above quantization effects also occur when the thin n-type layer is located between two p-type regions.

Een voorkeursuitvoering van de uitvinding heeft dan ook het kenmerk, dat het n-type gebied zich bevindt tussen het eerste p-type gebied en een tweede p-type oppervlaktegebied.A preferred embodiment of the invention is therefore characterized in that the n-type region is located between the first p-type region and a second p-type surface region.

Bij voorkeur heeft ook dit tweede p-type oppervlaktegebied een dikte van ten hoogste 4 nanometer. Een bijkomend voordeel van een dergelijke inrichting is, dat met name voor silicium geldt, dat de afstand van de bodem van de geleidingsband tot het vacuümniveau op enige afstand van het oppervlak voor p-type silicium lager is dan voor n-type silicium. Het tweede p-type oppervlaktegebied heeft bij voorkeur weer een dikte van ten hoogste 4 micrometer, bijvoorbeeld door dit weer als "Planar Doping” structuur uit te voeren. Ook een deel van het eerste p-type gebied kan op een dergelijke wijze worden gerealiseerd.Preferably, this second p-type surface area also has a thickness of at most 4 nanometers. An additional advantage of such a device is that, in particular for silicon, the distance from the bottom of the conducting tape to the vacuum level at some distance from the surface is lower for p-type silicon than for n-type silicon. The second p-type surface area preferably again has a thickness of at most 4 micrometers, for instance by designing it again as a "Planar Doping" structure. Part of the first p-type area can also be realized in such a manner.

halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het oppervlak voorzien is van een elektrisch isolerende laag waarin tenminste een opening is aangebracht, waarbij op de isolerende laag op de rand van de opening ten minste een versnellingselektrode is aangebracht en waarbij de halfgeleiderstructuur althans binnen de opening plaatselijk een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de halfgeleiderstructuur vertoont.semiconductor device according to the invention is characterized in that the surface is provided with an electrically insulating layer in which at least one opening is provided, wherein the insulating layer is provided with at least one acceleration electrode on the edge of the opening and wherein the semiconductor structure is at least within the opening locally has a lower breakdown voltage than the rest of the semiconductor structure.

Door de halfgeleiderstructuur van een dergelijke versnellingselektrode te voorzien, kunnen soortgelijke voordelen (elektronenbundels met een smal energiespectrum, lenswerking) verkregen worden als beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. Ten behoeve van elektronen-optische functies kan de versnellingselektrode worden opgedeeld of kan zonodig een extra elektrode rondom de versnellingselektrode worden aangebracht.By providing the semiconductor structure with such an acceleration electrode, similar advantages (electron beams with a narrow energy spectrum, lens action) can be obtained as described in Dutch Patent Application No. 7905470. For electron-optical functions, the accelerating electrode can be divided or an additional electrode can be placed around the accelerating electrode, if necessary.

Een kathode volgens de uitvinding kan met voordeel worden toegepast in een opneembuis, terwijl ook voor een weergeefinrichting met een halfgeleiderkathode volgens de uitvinding diverse toepassingen bestaan. Een daarvan is bijvoorbeeld een weergeefbuis die een fluorescerend scherm bevat, dat geactiveerd wordt door de van de halfgeleiderinrichting afkomstige elektronenstroom.A cathode according to the invention can advantageously be used in a pick-up tube, while various applications also exist for a display device with a semiconductor cathode according to the invention. One of these is, for example, a display tube containing a fluorescent screen which is activated by the electron stream from the semiconductor device.

De uitvinding zal thans nader worden beschreven aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarbijThe invention will now be described in more detail with reference to a few exemplary embodiments and the drawing, in which

Figuur 1 schematisch een vergelijking geeft tussen de structuur van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en die van de inrichting beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470.Figure 1 schematically shows a comparison between the structure of a semiconductor device according to the invention and that of the device described in Dutch Patent Application No. 7905470.

Figuur 2 schematisch een vergelijking toont van de bijbehorende heersende veldsterkte in het halfgeleiderlichaam,Figure 2 schematically shows a comparison of the associated prevailing field strength in the semiconductor body,

Figuur 3 schematisch de bijbehorende energiediagrammen toont, terwijlFigure 3 schematically shows the associated energy diagrams, while

Figuur 4 schematisch een andere structuur toont van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding, enFigure 4 schematically shows another structure of a semiconductor device according to the invention, and

Figuur 5 enkele energiediagrammen toont, behorende bij de halfgeleiderinrichting van Figuur 4.Figure 5 shows some energy diagrams associated with the semiconductor device of Figure 4.

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend waarbij ter wille van de duidelijkheid, in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleiderzones van hetzelfde geleidingstype zijn in het algemeen in dezelfde richting gearceerd; in de figuren zijn overeenkomstige delen in de regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.The figures are schematic and not drawn to scale, for the sake of clarity, especially the dimensions in the thickness direction have been greatly exaggerated. Semiconductor zones of the same conductivity type are generally shaded in the same direction; in the figures, corresponding parts are generally designated by the same reference numerals.

Aan de hand van de van de Figuren 1 tot en met 3 zullen thans de voordelen worden besproken van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding ten opzichte van die zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. De daar beschreven inrichting bevat (Fig. 1a) aan een hoofdoppevlak 2 van een halfgeleiderlichaam 1 een n-type oppervlaktegebied 3 dat met een p-type gebied 4 een pn-overgang 3 vormt. De gebieden 3 en 4 kunnen ten opzichte van elkaar zodanig in de keerrichting worden voorgespannen, dat lawinevermenigvuldiging optreedt. Een deel van de daarbij vrijkomende elektronen kunnen daarbij zoveel energie verkrijgen als nodig is om uit het halfgeleiderlichaam te treden.The advantages of a semiconductor device according to the invention compared to those described in Netherlands Patent Application No. 1, will now be discussed with reference to Figures 1 to 3. 7905470. The device described there comprises (Fig. 1a) on a main surface 2 of a semiconductor body 1 an n-type surface region 3 which forms a p-junction 3 with a p-type region 4. Areas 3 and 4 can be biased relative to each other in the reverse direction such that avalanche multiplication occurs. Part of the electrons released thereby can obtain as much energy as is necessary to exit the semiconductor body.

In een eerste inrichting volgens de uitvinding (Fig.In a first device according to the invention (Fig.

1D) bezit het n-type oppervlaktegebied 3 een dikte van ten hoogste 4 nanometer (bijvoorbeeld 2 nanometer). Omwille van het voorbeeld is voor de inrichting en van Fig. 1 aangenomen dat het p-type gebied 4 tijdens het gebruik volledig uitgeput is. De p-type gebieden worden eventueel gecontacteerd via een p+-gebied 5.1D), the n-type surface area 3 has a thickness of at most 4 nanometers (e.g. 2 nanometers). For the sake of example, for the device and of FIG. 1 assuming that the p-type region 4 is completely exhausted during use. The p-type areas are optionally contacted via a p + area 5.

In Figuur 2 is schematisch het verloop van de veldsterkte weergegeven voor de beide inrichtingen. Voor de inrichtingen van Fig. 1 treedt ter plaatse van de pn-overgang 8 een maximaal veld op, dat aan beide zijden van de overgang afneemt tot de waarde nul aan de randen van de uitputtingszone (lijn a, b). Een dergelijk veldverloop leidt voor de inrichting van Fig. 1a tot een elektronenenergiediagram als met getrokken lijnen geschetst in Figuur 3a. Vanaf het oppervlak 2 gezien is de elektronenpotentiaal eerst nul totdat deze in het depletiegebied gaat oplopen tot een waarde van ca. 0,8 Volt (in silicium) ter plaatse van de pn-overgang. Doordat geldtFigure 2 shows schematically the course of the field strength for the two devices. For the devices of FIG. 1 at the pn junction 8 a maximum field occurs, which decreases on both sides of the junction to the value zero at the edges of the depletion zone (line a, b). Such a field course leads for the device of FIG. 1a to an electron energy diagram as outlined by solid lines in Figure 3a. Viewed from the surface 2, the electron potential is first zero until it increases in the depletion region to a value of about 0.8 volts (in silicon) at the pn junction. Because that applies

en vanaf dit punt het veld E afneemt (zie Figuur 2, lijn a) neemt de kromme a in Figuur 3a vanaf dit punt steeds minder steil toe tot vanaf de rand van het depletiegebied de elektronenpotentiaal constant blijft. Een soortgelijke kromme voor de inrichting van Figuur 1b, verschilt in zoverre van die van Figuur 3a, dat, door de geringe dikte van het n-type gebied 3 de elektronenpotentiaal op circa 2 nanometer van het oppervlak steil gaat oplopen (zie Figuur 3b).and from this point the field E decreases (see Figure 2, line a), the curve a in Figure 3a increases from this point less and less steeply until the electron potential remains constant from the edge of the depletion region. A similar curve for the device of Figure 1b differs from that of Figure 3a in that, due to the small thickness of the n-type region 3, the electron potential rises steeply at about 2 nanometers from the surface (see Figure 3b).

Om het vacuum te kunnen bereiken, moeten de elektronen een energie bezitten die tenminste gelijk is aan de uittree-energie <p.In order to achieve the vacuum, the electrons must have an energy that is at least equal to the exit energy <p.

Voor een elektron dat op een afstand x van het oppevlak een potentiële energie gelijk aan of hoger dan deze uittree-energie φ heeft, wordt de -χ/λ kans op uittreden gegeven door P = Ae , waarin A een normeringsconstante en λ een effectieve vrije weglengte is.For an electron that has a potential energy equal to or higher than this exit energy φ at a distance x from the surface, the -χ / λ probability of exit is given by P = Ae, where A is a standardization constant and λ is an effective free path length.

Voor de elektronen van de beschreven inrichtingen geldt, dat deze kans voor elektronen die net deze potentiële energie bezitten respectievelijk gegeven wordt door -da/ka -db/XbFor the electrons of the described devices, this probability for electrons having just this potential energy is given by -da / ka -db / Xb

Pa = Ae a a en Pb = Ae D D.Pa = Ae a a and Pb = Ae D D.

Doordat in de inrichting volgens de uitvinding db klein is ten opzichte van de dikte da in de inrichting van Figuur 1 geldt db < da, terwijl λ& - Xb zodat Pb > P&.Since in the device according to the invention db is small relative to the thickness da in the device of Figure 1, db <da applies, while λ & - Xb such that Pb> P &.

Bovendien treden door de geringe dikte van de laag 3 kwantisatie effecten op, weergegeven als discrete niveaux 6 in het 1- energiediagram van Figuur 3 . Dit heeft tot gevolg dat de effectieve uittreepotentiaal φ (afstand van de bodem van de geleidingsband tot het vacuümniveau) wordt verlaagd. Aangezien het totale rendement van de inrichting wordt bepaald door £ = Ae . e -,p^T leidt dit tot een verdere verhoging van het rendement. Het rendement kan nog verder worden verhoogd door het p-type gebied 4 te vervangen door een intrinsiek halfgeleidergebied, op dezelfde wijze als beschreven in de nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675. De bijbehorende energiediagrammen zijn in Figuur 3 met streeplijnen aangegeven. In dit geval wordt de effectieve uittreepotentiaal nog verder verminderd doordat de quantisatieeffecten een gunstiger verdeling van de niveaux 6 veroorzaken.In addition, due to the low thickness of the layer 3, quantization effects occur, represented as discrete levels 6 in the 1 energy diagram of Figure 3. As a result, the effective exit potential φ (distance from the bottom of the conductive tape to the vacuum level) is reduced. Since the total efficiency of the device is determined by £ = Ae. e -, p ^ T this leads to a further increase in yield. The efficiency can be increased even further by replacing the p-type region 4 with an intrinsic semiconductor region, in the same manner as described in Dutch patent application no. 8600675. The associated energy diagrams are shown in broken lines in Figure 3. In this case, the effective exit potential is further reduced because the quantization effects cause a more favorable distribution of the levels 6.

Het effect van de genoemde kwantisatieeffecten kan met bijzonder veel voordeel worden toegepast in de inrichting van Figuur 4 waar een dun n-type gebied 3 zich bevindt tussen een p-type gebied 4 en een p-type oppervlaktegebied 7. Het n-type gebied 3 is weer slechts enkele atomaire lagen dik, zodat kwantisatieeffecten optreden van de energieniveaus en het (quasi) Ferminiveau boven de bodem van de geleidingsband van het n-type gebied 3 komt (Fig. 5a). Indien nu het p-type oppervlaktegebied 7 (en daarmee indirect het n-type gebied 3) positief wordt voorgespannen ten opzichte van het p-type gebied 4, zodanig dat lawinevermenigvuldiging optreedt, stijgt de elektronenpotentiaal in het gebied 3 totdat het quasi-Ferniniveau samenvalt met de bodem van de geleidingsband van het (bij voorkeur hoog gedoteerde) p-type oppervlaktegebied 7.The effect of said quantization effects can be used with particular advantage in the device of Figure 4 where a thin n-type area 3 is located between a p-type area 4 and a p-type surface area 7. The n-type area 3 is again only a few atomic layers thick, so that quantization effects of the energy levels occur and the (quasi) Fermine level rises above the bottom of the conduction band of the n-type region 3 (Fig. 5a). Now if the p-type surface area 7 (and thus indirectly the n-type area 3) is positively biased with respect to the p-type area 4, such that avalanche multiplication occurs, the electron potential in the area 3 increases until the quasi-Fernine level coincides with the bottom of the guide tape of the (preferably highly doped) p-type surface area 7.

Elektronen gegenereerd door gelijktijdig optreden van lawinedoorslag van de pn-overgang 8 vullen de energieniveaus op en steken als het ware het p-type oppervlaktegebied over. Om hierbij zo min mogelijk elektronen verloren te laten gaan, wordt voor dit p-type gebied bij voorkeur een kleine laagdikte (< 4 nanometer) en hoge dotering gekozen.Electrons generated by avalanche breakdown of the pn junction 8 fill up the energy levels and cross the p-type surface area, as it were. In order to minimize the loss of electrons, a small layer thickness (<4 nanometers) and high doping are preferably chosen for this p-type region.

Een bijkomend voordeel is, dat de effectieve uittreepotentiaal (φ' in Fig. 5°) voor elektronen in p-type silicium lager is dan die voor elektronen in n-type-silicium (φ, Fig. 5a).An additional advantage is that the effective exit potential (φ 'in Fig. 5 °) for electrons in p-type silicon is lower than that for electrons in n-type silicon (φ, Fig. 5a).

De p+-type oppervlaktelaag 7 kan ook evenals het gebied 3 worden aangebracht door middel van technieken die resulteren in "δ-dotering" of "Planar Doping" structuren, technieken welke ook voor het vervaardigen van de n-type oppervlaktelaag 3 in de inrichting van Figuur l(b> gebruikt kunnen worden, naast andere geschikte technieken (moleculaire bundel epitaxie). Hierbij kan het voordelig zijn ook de p-type laag 4 en/of eventuele tussenliggende intrinsieke lagen met deze techniek te vervaardigen.The p + type surface layer 7 can also be applied, as well as the region 3, by techniques that result in "δ-doping" or "Planar Doping" structures, techniques which also include the manufacture of the n-type surface layer 3 in the device of Figure 1 (b>) may be used in addition to other suitable techniques (molecular beam epitaxy). It may be advantageous to manufacture the p-type layer 4 and / or any intermediate intrinsic layers with this technique.

Zoals in de inleiding gesteld, kan een halfgeleiderkathode volgens de uitvinding aan zijn oppervlak 2 voorzien zijn van een isolerende laag, waarop versnellingselektroden rondom openingen ten behoeve van emissie zijn aangebracht; de mogelijke vormen van de emitterende gebieden en de versnellingselektroden zijn nader omschreven in de bovengenoemde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. Zo kan de opening spieetvormig of cirkelvormig zijn met een spleetbreedte of cirkeldiameter van dezelfde grootte-orde als de dikte van de isolerende laag. Doorgaans heeft de halfgeleiderstructuur ter plaatse van dergelijke openingen een lagere doorslagspanning. Ook de versnellingselektrode (van bijv. polykristallijn silicium) kan op verschillende wijzen zijn opgedeeld waarbij bijvoorbeeld een deel binnen en een deel buiten een cirkelvormige spleet ligt. Tevens kan het oppervlakte desgewenst met een elektronenuittreepotentiaalverlagend materiaal als cesium of barium bedekt zijn. In plaats van silicium kan ook een A3-B5 halfgeleidermateriaal (galliumarseen) worden gekozen.As stated in the introduction, a semiconductor cathode according to the invention can be provided on its surface 2 with an insulating layer on which acceleration electrodes are arranged around openings for emission; the possible shapes of the emitting regions and the acceleration electrodes are further described in the above-mentioned Dutch Patent Application No. 7905470. For example, the opening may be spiky or circular with a slit width or circle diameter of the same order of magnitude as the thickness of the insulating layer. Typically, the semiconductor structure at such apertures has a lower breakdown voltage. The acceleration electrode (of, for example, polycrystalline silicon) can also be divided in different ways, for example a part inside and a part outside a circular slit. The surface can also be optionally covered with an electron-emitting potential-lowering material such as cesium or barium. An A3-B5 semiconductor material (gallium arsenic) can also be chosen instead of silicon.

Halfgeleiderkathoden volgens de uitvinding kunnen worden toegepast in zowel opneem- als weergeefbuizen maar ook bijvoorbeeld in elektronenmicroscopie.Semiconductor cathodes according to the invention can be used in both recording and display tubes, but also, for example, in electron microscopy.

Claims

A semiconductor device for generating an electron current with a cathode containing a semiconductor body having at least an n-type semiconductor region and a first p-type semiconductor region, by biasing the n-type region with respect to the p-type region in the semiconductor body, electrons can be generated leaving the semiconductor body, characterized in that the n-type region has a thickness of at most 4 nanometers.

Semiconductor device according to claim 1, characterized in that the thickness of the n-type region is at most 2 nanometers.

Semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that a practical intrinsic semiconductor region is located between the first p-type region and the n-type region.

4. Semiconductor device according to claim 3, characterized in that the practically intrinsic semiconductor region is of the "i" type or "P" type with a maximum impurity concentration of 5.10 ^ atoms / cm ^.

Semiconductor device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the n-type region is located between the first p-type semiconductor region and a second p-type surface region.

Semiconductor device according to claim 5, characterized in that the p-type surface area is highly doped and has a thickness of at most 4 nanometers.

Semiconductor device according to claim 6, characterized in that the thickness of the p-type surface area is at most 2 nanometers.

Semiconductor device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first p-type semiconductor region is at least partly doped over a thickness of at most 4 nanometers.

A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the surface is provided with an electrically insulating layer in which at least one opening is arranged, wherein the insulating layer on the edge of the opening contains at least one acceleration electrode and wherein the semiconductor structure has a lower breakdown voltage at least within the opening than the rest of the semiconductor structure.

Semiconductor device according to claim 9, characterized in that the opening is spike-shaped or circular or with a slit width or circle diameter of the same order of magnitude as the thickness of the insulating layer.

Semiconductor device according to claim 9 or 10, characterized in that the acceleration electrode is composed of two or more partial electrodes.

A semiconductor device according to claim 11, characterized in that the opening forms a practically annular gap, with a part electrode within the annular gap and a part electrode outside the annular gap.

Semiconductor device according to claim 12, characterized in that the centerline of the annular gap forms a circle.

A semiconductor device according to any one of claims 9 to 13, characterized in that a second electrode is provided on the electrically insulating layer, which surrounds the acceleration electrode practically entirely.

Semiconductor device according to claims 1 to 14, characterized in that the surface of the semiconductor body is covered, at least at the location of the emissive surface, with an electron-emitting potential-reducing material.

Semiconductor device according to claim 15, characterized in that the exit potential-lowering material is one of the materials from the group of cesium and barium.

Semiconductor device according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the semiconductor body consists of silicon or an A3-B5 material.

Semiconductor body according to any one of the preceding claims, characterized in that the accelerating electrode contains polycrystalline silicon.

Recording tube provided with means for controlling an electron beam, which electron beam scans a charge image, characterized in that the electron beam is generated with a semiconductor device according to any one of claims 1 to 18.

20. Display device provided with means for controlling an electron beam, which electron beam produces an image, characterized in that the electron beam is generated by means of a semiconductor device according to any one of claims 1 to 18.

Display device according to claim 20, characterized in that said display device comprises a fluorescent screen, which is located in vacuum a few millimeters from the semiconductor device and the screen is activated by the electron beam originating from the semiconductor device.