DE2120235A1

DE2120235A1 - Vorrichtung zum Vervielfachen von freien Elektronen

Info

Publication number: DE2120235A1
Application number: DE19712120235
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Ing. 7919 Bellenberg. M Lieb
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-04-24
Filing date: 1971-04-24
Publication date: 1972-11-02
Also published as: DE2120235B2; FR2134459A1; NL7205448A; GB1377566A; DE2120235C3; FR2134459B1

Description

LICENTIA Patent-Verwaltungs-GmbH 6000 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm (Donau), 21. April 1971 PT/UL/Am/bc UL 71/79

"Vorrichtung zum Vervielfachen von freien

Elektronen"

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Vervielfachen von freien Elektronen, bestehend aus einer scheibenförtnigen Elektrode, die bei Beaufschlagung ihrer Frontfläche mit Elektronen an ihrer Rückfläche freie Elektronen abgibt*

Die Vervielfachung von freien Elektronen mit einer Vervielfacherscheibe ist bereits bekannt, z. B. in Form von Sekundär-Transmissionsschichten und Multikanal-Sekundäremissionsplatten.

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Hinsichtlich eines niederen Rauschuntergrundes, einer großen· Stabilität im Lebensdauerbetrieb und eines guten Vakuumverhaltens lassen die bekannten Vervielfacher aber noch Wünsche offen·. Außerdem ist die Energie der erzeugten Elektronen bei den Transmissions-Sekundäremissionsschichten und den Multikanal-Sekundäremissionsplatten nur ungenügend homogenisiert, so daß W eine nachfolgende elektronenoptische Abbildung durch eine elektrostatische Linse nicht ohne weiteres möglich ist.

Die Erfindung stellt die Aufgabe, eine elektronenvervielfachende Vorrichtung mit großer mechanischer Festigkeit, hoher Auflösung, geringem Rauschen und großer Ausbeute der auftreffenden Elektronenstrahlung sowie mit gutem Vakuumsverhalten zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Frontfe fläche eine Vielzahl von Halbleiterflächenteilen (4l·) aufweist, die gegenseitig durch die Flächenelektrode mechanisch versteifende Elemente (5) getrennt sind und daß die Rückfläche zumindest auf den Halbleiterflächenteilen eine Deckschicht (6) aufweist, die den Austritt der im Leitungsband der Halbleiterflächenteile erzeugten Elektronen mit thermischer Energie ermöglicht. '

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Elektronen .mit ausreichender Energie, die auf eine Stirnfläche der Vervielfacherscheibe gerichtet werden, erzeugen in der Scheibe eine Vielzahl von Elektronen mit thermischer Energie. Die nicht mit Elektronen beaufschlagte, gegenüberliegende Stirnfläche der Vervielfacherscheibe, die mit einer Deckschicht versehen ist, setzt die Elektronenaffinität soweit herab, daß die in der Halbleiterschicht erzeugten und durch Diffusion in die Deckschicht eingedrungenen Elektronen die Vervielfacherscheibe verlassen und als freie Elektronen in den Vakuumraum emittiert werden.

Gemäß der Weiterbildung der Erfiiding ist die Dicke der Halbleiterschichtteile mindestens so groß wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusionslänge von Elektronen mit thermischer Energie in diesem Halbleitermaterial. Zwischen den einzelnen Schichtteilen wird die Stärke der elektronenvervielfachenden Scheibe durch versteifende Elemente erhöht, so daß eine ausreichend mechanische Festigkeit erzielt wird. Die Größe der elektronenvervielfachenden Schichtbereiche ist bei Anwendung in einer Bildverstärkerröhre vorzugsweise so gewählt, daß die größte lineare Ausdehnung der Bereiche gleich oder geringer ist, wie die durch andere Parameter z. B. die elektronenoptische

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Abbildungsfehler bestimmte Grenzauflösung. Die Diffusionslänge der Ladungsträger mit thermischer Energie kommt bie den bisher bekannten Halbleitermaterialien in die Größenordnung von /um. Die Stärke des'halbleitenden Materials der Vervielfacherscheibe darf, um wirksam zu sein, nicht größer als die Diffusionslänge der Ladungsträger gemacht werden. Bei einzelnen Halbleitermaterialien wie z_r B. Silizium erreicht die Diffusionslänge etwa 10 ,um. Bei vielen Anwendungen wie z. B. bei Bildverstärkerröhren ist es zur Erzielung einer möglichst großen Auflösung zweckmäßig, die Stärke der Vervielfacherscheibe nicht wesentlich größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen, die im allgemeinen im /um-Berich liegt, zu machen.

Vorzugsweise wird, um einen möglichst großen Vervielfachungsausnutzungsgrad der auftreffenden Elektronenstrahlung zu erzielen, ^ der Flächenanteil der ■ elektronenvervielfachenden Teile an der Gesamtfrontfläche der Scheibe so groß wie möglich gewählt»

Um den Ausnutzungsgrad besonders groß zu gestalten, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch eine spezielle Ausfüh-

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rungsart vorgesehen, bei der durch elektronenoptische Maßnahmen die einfallende Elektronenstrahlung von den nicht vervielfachenden Flächenteilen auf die jeweils benachbarten vervielfachenden Teile gelenkt wird·

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Bevorzugter Ausführungsbeispiele, sowie anhand der schematischen Zeichnungen der Fig. 1 bis 3·

Die Fig· 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronenvervielfachenden Scheibe in einer Teilschnittdarstellung· Die elektronenvervielfachende Scheibe besteht aus einer Halbleiterscheibe 1, mit der sich durch höherenergetische Elektronen eine möglichst große Zahl von Elektronen mit thermischer Energie erzeugen lassen. Die Halbleiterscheibe weist Vertiefungen 3» ^z· B. Löcher auf_t Die mit den Vertiefungen versehene Stirnfläche 2 der Vervielfacherscheibe wird mit der zu vervielfachenden Elektronenstrahlung beaufschlagt. Diese Vertiefungen oder Löcher werden beispielsweise mit Hilfe bekannter

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photolithographischer Verfahren durch Atzen hergestellt. Durch die Vertiefungen ergibt sich an ' den/Flächenteilen 4 der Halbleiterscheibe eine geringere Stärke. Die Schichtstärke dieser Flächenteile 4 wird so gewählt, daß sie gleich oder größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und kleiner oder gleich als die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie ist. Es ergibt sich damit eine Vielzahl von einzelnen Flächenteilen 4 eines Halbleiterraaterials, das eine Stärke aufweist, die mindestens so groß wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusionsläiüge von Elektronen mit thermischer Energie in diesem Halbleitermaterial ist.

Die Halbleiterscheibe 1 ist an den nicht mit Vertiefungen versehenen Flächenteilen 5 so stark, daß eine ausreichende mechani- w sehe Stabilität der Vervielfacherscheibe erreicht wird. Dies führt im allgemeinen dazu, daß an diesen Stellen die Schichtstärke größer als die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie wird. Um einen möglichst großen Vervielfachungsgrad der

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auftreffenden Elektronenstrahlung zu erzielen, ist wie auch aus der Fig, zu ersehen, der Flächenteil der elektronenvervielfachenden Teile 4 an der Gesamtfläche der Scheibe groß.

Die Halbleiterscheibe wird an den Randzonen 7 in bevorzugter Weise verstärkt und wird dort z. B. mit einem Metallring 8, der gleichzeitig als Anschlußelektrode dient, festgehalten. Die Verbindung des Metallringes 8 mit der Halbleiterscheibe bzw. 1 kann z. B. durch Löten erfolgen oder wie es in der Fig. angedeutet ist, mit Hilfe eines weiteren Metallringes 91 der den verstärkten Teil 11 der Halbleiterscheibe gegen den Haltering drückt·

Die Scheibe besteht in bevorzugter Weise aus einem Material mit großer p-Leitfähigkeit. Beispielsweise besteht die Scheibe aus Zn-dotiertem GaAs oder mit.B-dotiertem Si mit einer Ladungsträgerkonzentration von ^ 10 /cm . Um eine Rekombination der thermalisiert.en Elektronen an der Oberfläche der mit Vertiefungen versehenen Stirnfläche der Halbleiterscheibe herabzusetzen und damit den Vervielfachungsgrad zu erhöhen, ist die Oberfläche stärker p-dotiert als der übrige Teil der Scheibe, d. h. die Oberfläche

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ist mit einer p⁺-dotierten Schicht versehen.

Die nicht mit Vertiefungen versehene andere Stirnfläche der Scheibe ist mit einer Deckschicht 6 ausgestattet, die die Elektronenaffinität soweit reduziert, daß die im Innern der Halbleiterscheibe erzeugten Elektronen mit thermischer Energie in den Vakuumraura austreten. Die Deckschicht 6 besteht beispielsweise aus einer oder weniger Atomlagen einer elektropositiven Metallschicht, z. B, einer Cs«Schicht« Vorzugsweise wird als Deckschicht eine Schicht mit hoher n-Leitfähigkeit und insbesondere geringer Elektronenaffinität, wie z« B. eine Schicht aus C3-oder oder SbCs _ in einer Stärke von wenigen A bis lOO A vorgesehen.

Die Deckschicht kann auch, um den Austritt der Elektronen besonders wirksam zu machen, mehrlagig ausgebildet sein und z. B. aus übereinanderliegenden η-leitenden Halbleiterschichten unterschiedlichen Bandabstandes und unterschiedlicher jedoch kleiner Elektronenaffinität bestehen.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung·. Für gleiche oder ähnliche Teile wurden dieselben Bezeichnungen wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gewählt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Vervielfacherscheibe aus einer dünnen halbleitenden Folie 1, die mit einer aus einer Vielzahl von Löchern 10 bestehenden Trägerplatte 11 durch Kleben,

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Sintern, Löten, mechanisches Anpressen und dgl· verbunden ist. Um die Herstellung der dünnen halbleitenden Scheibe 1 und die Handhabung bei der Verbindung mit der Trägerplatte 11 zu erleichtern, wird erfindungsgemäß vorgesehen, zuerst die halbleitende Folie in größerer Stärke herzustellen, dann mit der Trägerplatte zu verbinden und erst dann die Stärke der Folie 1 z. B. durch Abätzen auf den vorgesehenen Wert zu reduzieren«

Die Stärke der Halbleiterfolie ist gleich oder größer als die Eindringtiefe der auftreffenden schnellen Elektronen und gleich oder geringer als die Diffusionslänge der im Halbleitermaterial erzeugten Elektronen mit thermischer Energie. Die Trägerplatte 11 ist ao ausgeführt, daß durch Wahl eines geeigneten Materials wie z. B. eines Metalls wie z« B. Nickel oder ein leitfähiges Glas, eines zweckmäßigen Lochdurchmessers, Lochabstandes und Plattenstärke sowohl eine große mechanische Festigkeit als auch eine genügende elektrische Leitfähigkeit zur Vermeidung einer elektrischen Aufladung durch die auftroffenden Elektronen erzielt wird. Durch die Verbindung der Trägerplatte 11 mit der Halbleiterfolie 1 ergibt sich eine Vervielfacherscheibe mit großer mechanischer Festigkeit und eine Vielzahl von Flächenteilen 4 eines Halbleiterraaterials, dessen Stärke mindestens der Eindringtiefe der auftreffendeh Elek-

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tronen entspricht und höchstens die Diffusionslänge der erzeugten Elektronen mit thermischer Energie aufweist·

Die Erfindung sieht als Weiterbildung vor, auf der noch nicht mit Löchern versehenen Trägerplatte 11 die Halbleiterfolie 1 durch epitaktische Abscheidungj z. B, nach dem Gastransportverfahren oder Aufdampfen zu erzeugen« Danach werden die Löcher der Trägerplatte 11 ζ. Β« durch Ätzen mit Hilfe photolithograhischer Verfahren hergestellt. Die Trägerplatte 11 kann dabei aus einem Halbleiter, z, B. einem anderen Halbleiter mit ähnlichem oder gleichem Kristallaufbau oder Metall z« B. Molybdän bestehen.

IH.e Fi,;, 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel· Für gleiche Teile wurden wieder dieselben Bezugszeichen gewählt und auf eine nochmalige Beschreibung der Wirkungsweise und Ausführung dieser Teile verzichtet. Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, daß an den nicht mit Vertiefungen versehenen Stellen 5 der Halbleiterscheibe eine elektrisch isolierende Schicht 12 und darauf eine elektrisch leitende Schicht 13 aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Schicht 12 kann z. B. eine Oxydschicht sein, die aus

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dein Material der Halbleiterscheibe 1 gebildet wurde. Bei': Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial besteht die Isolierschicht beispielsweise aus SiO . Die elektrisch lei-'j tende Schicht kann z. B. aus einer aufgedampften Metallschicht wie Al oder Au bestehen· Die Herstellung der Schichten ^ und f> kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß zuerst das Halbleitermaterial oxydiert wird, dann die metall-

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ische Schicht <Ö aufgedampft und nachfolgend die Vertiefungen mit Hilfe photolithographischer Methoden durch Ätzen hergestellt werden· An die Schicht 13 wird eine gegenüber der Halbleiterschicht 1 negative Spannung angelegt· Die Spannungshöhe wird so gewählt, daß die einfallende Elektronenstrahlung von den nicht vervielfachenden Flächenteilen 13t 12 und 5 auf die benachbarten vervielfachenden Flächenteile 3 gelenkt werden·

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel· kann ggf. auch auf die leitende Schicht 13 verzichtet werden· In diesem Falle wird die freie Oberfläche der isolierenden Schicht 12 durch die ankommenden Elektronen negativ aufgeladen und dadurch ein elektrisches Feld erzeugt, das weitere ankommende Elektronen auf die

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benachbarten Halbleiterflächenteile 4 ablenkt.

Die Fig« k zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vervielfacherplatte bei einer Bildverstärkerröhre· Die Röhre besteht aus dem Vakuumgefäß l4. Auf der Innenseite des Eingangfensters 15 im vorliegenden Fall beispeilsweise einer plan-konkav gekrümmten Fiberoptikscheibe, befindet sich die Photokathode l6. Auf der Innenseite des Ausgangsfensters 17* ζ. Β. einer plan-konkav gekrümmten Glas- oder Fiberoptikscheibe, ist ein Leuchtschirm l8 angebracht. Die Anode 19 eines sogenannten Bildverstärkerdiodensystems ist mit der erfindungsgemäßen Vervielfacherplatte elektrisch verbunden. An die Anode 19 bzw. Vervielfacherplatte 20 wird eine gegenüber der Kathode l6 positive Spannung von z. B. 15 kV gelegt. Das zu verstärkende Strahlenbild wird mit Hilfe geeigneter optischer Mittel z. B. eines Objektives auf der äußeren Stirnfläche der Fiberoprikscheibe 15 abgebildet.

Durch die Photokathode l6 und die elektronenabbildende Eigenschaft des Diodensystems trifft auf die Vervie!fächerscheibe eine hochenergetische Elektronenstrahlung auf, deren Intensitäts·

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verteilung dem am Eingang eingegebnenen Bildinhalt entspricht· Am Ausgang der Vervielfacherscheibe wird damit eine Elektro-.: nenstrahlung mit thermischer Energie erzeugt. Die Intensität dieser Strahlung entspricht dem Bildinhalt und ist gegenüber der auftreffenden Strahlung am Eingang der Vervielfacherscheibe um mehr als das Tausendfache verstärkt. Der Ausgang der Vervielfacherscheibe dient als Kathode eines weiteren durch die Anodenelektrode 21 und dem Leuchtschirm l8 gebildeten Dioden-

ν mit el tfkfroiF(HjVd^r LiMgJ

systems^ Andie Anode 21 und dem elektrisch verbundenen Leuchtschirm l8 wird eine gegenüber der Vervielfacherscheibe positive Spannung von z. B. 15 kV-gelegt. Auf dem Leuchtschirm entsteht damit ein um mehrere Größenordnungen verstärktes BildJ des am Eingang abgebildeten Strahlenbildes·

•Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vervielfacherschfeibe. Es handelt sich hier um die Vex* Stärkung der Strahlstromdichte einer Oszillographenröhre· Eine Erhöhung der Strahlstromdichte hat vor allem den Vorteil einer größeren Leuchtdichte des Schirmbildes. In den in der Fig. 5 mit der Ziffer 22 bezeichneten Vakuumgefäß befindet sich das bei

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derartigen Röhren übliche Strahlerzeugungssystera 23 und das Ablenksystem 24« Die erfindungsgemäße Vervielfacherschicht 20 steht dem Leuchtschirm l8 in gleichem und geringem Abstand gegenüber· An die Vervielfacherscheibe 20 wird eine gegenüber der Kathode des Strahlerzeugungssystems positive Spannung gelegt· Eine noch höhere positive Spannung liegt am Leuchtschirm l8« Der vom Strahlerzeugungssystem 23 erzeugte und vom Ablenksystem 24 abgelenkte höherenergetische Elektronenstrahl erzeugt an der Auftreffstelle mit der Vervielfacherplatte eine Vielzahl von Elektronen mit thermischer Energie. Diese Elektronen werden am Ausgang der Vervielfacherscheibe emittiert· Es ergibt sich eine dem Vervielfachungsgrad entsprechende Erhöhung der Strahlstromdichte· Die emittierten Elektronen werden durch das zwischen der Vervielfacherscheibe und dem Leuchtschirm befindliche elektrische Feld beschleunigtι bewegen sich in senkrechter Richtung zur Vervielfacherscheibe und Leuchtschirmfläche und ijreffen dann auf den Leuchtschirm auf« Es handelt sich hierbei um eine sogenannte Nahfeldfokus si erung oder Kontaktbildung, die in der englischen Sprache als "Proximity Focusing" bezeichnet wird.

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Claims

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Patentansprüche

l.y Vorrichtung zum Vervielfachen von freien Elektronen, bestehend aus einer scheibenförmigen Elektrode, die bei Beaufschlagung ihrer Frontfläche mit Elektronen an ihrer Rückflache freie Elektronen abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche eine Vielzahl von Halbleiterflächenteilen (k) aufweist, die gegenseitig durch die Flächenelektrode mechanisch versteifende Elemente (5) getrennt sind und daß die Rückflache zumindest auf den Halbleiterflächenteilen eine Deckschicht (6) aufweist, die den Austritt der im Leitungsband der Halbleiterflächenteile erzeugten Elektronen mit thermischer Energie ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die." Dicke der Halbleiterflächenteile mindestens so groß ist, wie die Eindringtiefe der auftreffenden Elektronen und höchstens so groß wie die Diffusionslänge von Elektronen mit thermischer Energie in diesem Halbleiter·

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ORIGINAL INSPECTED

«■7./*

3« Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterflächenteile aus einem p—leitenden, insbesondere einem möglichst hochdotierten ρ—leitenden Halbleitermaterial besteht·

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus einer eine oder wenige Atomlagen dicken Schicht aus einem elektropoeitiven Metall, z. B. Caesium besteht·

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus einem n-leitenden Halbleitermaterial, insbesondere mit geringer Elektronenaffinität bestellt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Decksdicht mehrlagig ausgebildet ist, insbesondere aus übereinanderliegenden n-leitenden Halbleiterschichten unterschiedlichen Bandabstandes und unterschiedlicher Elektronenaffinität besteht·

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*7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes vorgesehen sind, das ein Auftreffen der ankommenden Elektronen auf die versteifenden Elemente durch Ablenken auf die benachbarten vervielfachenden Halbleiterflächenteile weitgehend verhindert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der versteifenden Elemente,insbesondere unter Zwischenverfügung einer Isolierschicht mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind, die auf einem gegenüber den Halbleiterflächenteilen negativen Potential liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der versteifenden Elemente mit einer Isolierschicht versehen sind, deren Oberfläche sich durch auftreffende Elektronen gegenüber den Halbleiterflächenijeilen negativ auflädt.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis S₁ dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Elektrode aus einer Halbleiterscheibe besteht, deren Frontfläche eine Vielzahl

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von nebeneinanderliegenden Sacköffnungen aufweist, und daß die Wände zwischen, den Sacköffnungen die versteifenden Elemente sind und die Bodenflächen der Sacköffnungen die elektronenvervielfachenden Halbleiterflächenteile bilden.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Elektrode aus einem netz- oder lochplattenförmigen Träger besteht, dessen eine Oberfläche mit einer dünnen Halbleiterfolie versehen ist, wobei die nicht von den Stegen des Trägers bedeckten Fläiienteile die vervielfachenden Halbleiterflächenteile bilden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

^ die Halbleiterfolie zunächst auf einer durchgehenden Trägerplatte aufgebracht, insbesondere epitaktisch ebgeschieden ist, und danach in die Trägerplatte bis auf die Halbleiterfolie durchgehende Öffnungen eingearbeitet sind.

13· Elektronenröhre mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektro-

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statische Abbildungslinse zur bildhaften Abbildung des aus der Vervielfacherelektrode austretenden Elektronenbildes auf einer nachfolgenden Zielelektrode vorgesehen ist·

lk. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den auftreffenden Elektronen zugewandten Oberflächen der Halbleiterflächenteile mit einer ρ -Schicht versehen sind·

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