DE1215270B - Photokathode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. Cl.:

DEUTSCHES

PATENTAMT

CHRIFT 1215270 HOIj

Deutsche Kl.: 21g-29/20

Nummer: 1 215 270

Aktenzeichen: W 35093 VIII c/21 g

Anmeldetag: 16. August 1963

Auslegetag: 28. April 1966

Die Erfindung betrifft eine Photokathode, die erfindungsgemäß aus einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden Elektrode, einem^ Photoleiter, einer dünnen Isolierschicht mit Feldemissionseigenschaft und einer auf der Isolierschicht angeordneten Schicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit besteht, wobei der positive Pol einer Gleichspannungsquelle an die j Schicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit und ' der negative Pol an die durchsichtige Elektrode angeschlossen sind.

Es wurde gefunden, daß eine weit größere Ausbeute als bei bekannten Photokathoden erzielbar ist, wenn ein dünner photoleitender Film zwischen eine Metallschicht und einen metallischen Stoff mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit gebracht und an das Ganze ein elektrisches Feld angelegt wird. Die Elektronen im Leitungsband des Photoleiters werden - hierbei in Richtung auf die positive Elektrode beschleunigt. Ein Teil der Elektronen gewinnt genügend Energie, um in die positive Metallelektrode einzudringen und in ein benachbartes Vakuum auszutreten. Die Verstärkungsziffer des Photoleiters ist sehr hoch; man kann mit einer Ausbeute von der Größenordnung von 1000 Elektronen je Photon rechnen. Da die Eindringwahrscheinlichkeit von Metallfilmen mit geringer Austrittsarbeit in der Größenordnung von 0,01 liegen kann, ist die zu erwartende Photonenausbeute einer solchen Anordnung in der Größenordnung von 10. Diese Ausbeute ist weit besser als diejenige bekannter Photokathoden, die bei etwa 0,2 liegt. Die beschriebene Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß nur Photoleiter mit sehr geringer Dunkelleitfähigkeit verwendet werden können, um den Dunkelemissionsstrom niedrig zu halten.

Die Lichtempfindlichkeit ist ja um so besser, je stärker sich der Dunkelzustand des Photoleiters vom beleuchteten Zustand unterscheidet. Um den Dunkelstrom des Photoleiters möglichst klein zu halten, muß unter Umständen die Anordnung gekühlt werden. Auch wäre eine solche Anordnung im Infrarotgebiet unbrauchbar, da für Infrarot empfindliche Photoleiter allgemein einen hohen Dunkelstrom aufweisen. Es wäre deshalb sehr vorteilhaft, wenn man den Dunkelstrom ganz ausschalten könnte. Dies würde zu einer Kontrasterhöhung führen, weil im unbeleuchteten Zustand keine Elektronenemission stattfinden würde. Durch die beschriebene Photokathode, die in einer Elektronenröhre mit Gitter und Anode verwendet werden kann, wird der Dunkelstrom unterdrückt.

Das Prinzip der beschriebenen Photokathode besteht darin, daß eine Schicht aus photoleitendem Photokathode

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Helmut Kanter, Monroeville, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. August 1962 (219 023)

Material .und eine Schicht aus Isoliermaterial mit Tunneleigenschaften zwischen einen transparenten Film und einen Film mit niedriger Austrittsarbeit eingefügt werden. Wegen der Isolierschicht werden Dunkelströme weitgehend unterdrückt, solange der Photoleiter unbelichtet ist.

Dagegen können bei Belichtung des Photoleiters reichlich Elektronen in das Vakuum austreten.

Die beschriebene Photokathode wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Photokathode, die in einer Elektronenröhre mit Gitter und Anode eingebaut ist;

F i g. 2 ein Energieschema der Anordnung nach F i g. 1 und

Fig. 3 eine Darstellung der Stromspannungskennlinie der Anordnung nach F i g. 1.
Die in Fig.l dargestellte Elektronenröhre hat einen Kolben T, in welchem ein Vakuum ν herrscht. Am einen Ende des Kolbens T befindet sich eine Anode A mit dem Anodenanschluß α. Ferner ist ein Gitter G mit dem Anschluß g vorgesehen. Am anderen Ende des Kolbens T ist hinter der durchsichtigen Wand W, die aus Glas bestehen kann, die Kathode angeordnet. Hierzu ist auf die Wand W ein dünner Metallfilm M aufgedampft, der elektrisch

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leitend, aber lichtdurchlässig ist. Hierfür kann z. B. Leitungsband des Isoliermaterials hindurchtreten und Indium verwendet werden. Der Metallfilm M hat dann von der an der Schicht N liegenden Spannung beispielsweise eine Dicke von etwa 200 Angstrom. beschleunigt werden können. Wegen des hohen Auf dem Metallfilm M befindet sich eine Schicht PC Widerstandes der photoleitenden Schicht PC im aus photoleitendem Material, z. B. Cadmiumsulfid. 5 Dunkelzustand können aber diese Elektronen keine Dessen Schichtdicke kann etwa 1 bis 100 Mikron genügende Energie gewinnen, um gegen die Ausbetragen. Auf dem Photoleiter PC befindet sich eine trittsarbeit der Schicht L in das Vakuum ν austreten Isolierschicht N, die beispielsweise aufgedampft ist. zu können. Das Austrittspotential Va wird also nicht Sie soll eine Dicke von etwa 50 bis 100 Ängström erreicht,. und die .Elektronen können die Schicht L aufweisen. Sie besteht beispielsweise aus Aluminium- io nicht verlassen,
oxyd oder Magnesiumoxyd. Gelangt nun Licht durch die Wand W und die

Die Dicke dieser Isolierschicht N ist so gewählt, durchsichtige Elektrode M auf die photoleitende daß sie einen Tunneleffekt zeigt, wenn an sie eine ge- Schicht PC, so sinkt der Widerstand des Photoleiters nügend hohe Spannung angelegt wird. Das bedeutet, stark ab. Es tritt eine Paarbildung ein, wobei die daß die Stromspannungscharakteristik der Anord- 15 gebildeten Elektronen im Leitungsband des Photonung an einer bestimmten Stelle für eine verhältnis- leiters sich zur Isolierschicht N bewegen, während mäßig geringe Spannungssteigerung einen steilen die gebildeten Löcher im Valenzband des Photo-Stromanstieg aufweisen soll. Diese Eigenschaft leiters zur negativen Metallschicht M wandern. Der braucht nicht ausschließlich vom Tunneleffekt her- Leitungszustand dauert an, bis die Löcher in die zurühren, sondern kann auch teilweise von einem 20 negative Elektrode M eingewandert sind. Da der Elektronenaustritt über die Sperrschicht an der . Widerstand des Photoleiters PC im belichteten ZuGrenzfläche zwischen Photoleiter und Isolator infolge stand wesentlich geringer ist, ergibt sich ein erhöhter thermisch unterstützter Feldemission begleitet sein. Spannungsabfall an der Isolierschicht N, wodurch die Die beiden Effekte können unter dem Begriff Feld- dank dem Tunneleffekt in die Isolierschicht einemission zusammengefaßt werden. 25 dringenden Elektronen stärker beschleunigt werden

Auf die Isolierschicht N ist eine Metallschicht L und das kritische Potential Va überschreiten. Damit aufgedampft. Die Elektrode L kann aus einem können sie in das Vakuum ν austreten. Dies ist in Alkalimetall wie Kalium oder einem Erdalkalimetall Fig. 2 im Energieschema dargestellt. Die Fermiwie Barium bestehen. Es kann auch eine oberfläch- energie der Metallschicht M hat den Wert Efm. Die lieh oxydierte Metallschicht (z.B. Barium-Barium- 30 Elektronen im Leitungsband des Photoleiters PC oxyd) verwendet werden, um eine niedrige Elek- müssen genügend Energie aufweisen, um durch den tronenaustrittsarbeit zu erreichen. Auch eine Legie- verbotenen Bereich der Isolierschicht N in das Leirung, z. B. Gold mit Barium, kann verwendet werden. tungsband derselben gelangen zu können, wo weitere Als weiteres Mittel zur Erzielung einer niedrigen Energie zugeführt werden muß, damit ein Teil der Austrittsarbeit der Schicht L kann eine einatomige 35 Elektronen die Metallschicht L durchdringen und in Schicht von geringer Austrittsarbeit (z. B. Caesium) das Vakuum ν austreten kann. Wenn das Fermiauf einem Metall (z. B. Antimon) angewandt werden. niveau EfI der Metallschicht L und das Ferminiveau Auch kann zur Herabsetzung der Elektronenaustritts- an der Grenzfläche gegen das Vakuum zu hoch sind, arbeit die Anordnung eines Netzes auf der Isolier- haben die meisten Elektronen nicht genügend Enerschicht N verwendet werden. Die Schicht L kann eine 40 gie, um in das Vakuum ν auszutreten. Wenn jedoch Dicke von etwa 150 Ängström aufweisen. Wesent- das Ferminiveau EfI der Metallschicht L durch Verlieh ist jedenfalls, daß die Elektronen leicht aus der Wendung eines Stoffes mit geringer Austrittsarbeit Schicht L in das Vakuum ν austreten können. Eine wie Kalium herabgesetzt wird, benötigen die Elek-Gleichspannungsquelle V ist mit ihrer positiven tronen geringere Energie, um in das Vakuum ν aus-Klemme an die dünne MetallschichtL und mit ihrer 45 zutreten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. So ergibt sich negativen Klemme .an die durchsichtige Metall- bei genügend niedrigem Energiesprung an der Grenzschicht M angeschlossen. fläche gegen das Vakuum eine reichliche Elektronen-

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung emission mit erheblicher Stabilität, wenn der Photonach F i g. 1 wird auf das Energieschema der F i g. 2 leiter PC belichtet wird. Befinden sich die Elektronen und die Stromspannungskennlinie der F i g. 3 ver- 50 einmal im Vakuum v, so kann die Elektronenröhre wiesen. Im Dunkelzustand gelangen gar keine oder in bekannter Weise mit Hilfe des Gitters G und der nur wenige Photonen auf die photoleitende Schicht Anödet betrieben werden.

PC und diese weist einen gewissen Dunkelwiderstand Dank des starken Anstiegs des Tunnelstromes It auf. Je nach der gewählten Spannung V ergibt sich der Isolierschicht N kann praktisch die gesamte Änan der Schicht PC ein bestimmter Spannungsabfall. 55 derung des Photoleiterstromes ausgenutzt werden. Es Der restliche Spannungsabfall tritt an der Isolier- findet also nicht nur ein Übergang von einem erhebschicht N auf. Die an der Schicht N liegende Span- liehen Dunkelstrom zu einem etwas erhöhten Belichnung bewirkt einen TunnelstromIt gemäß Fig. 3. tungsstrom statt, sondern es zeigt sich ein großer Es ergibt sich aber kein Emissionsstrom Ie in das Unterschied zwischen einem sehr kleinen Dunkel-Vakuum v, solange nicht eine kritische Spannung Va 60 strom und einem rasch anwachsenden und starken erreicht ist. Die Spannung Va entspricht einer Ener- Belichtungsstrom. Auch hat die Anordnung wegen gie, die zur Beschleunigung eines Teils der Elek- des noch steileren Anstiegs des Emissionsstromes Ie tronen durch die Schicht L mit niedriger Austritts- die Eigenschaft einer kräftigen Kontrastverstärkung, arbeit hindurch ausreicht. Im Dunkelzustand ist also Wird also die Belichtung verdoppelt, so nimmt der der Tunnelstrom gleich dem Dunkelstrom der An- 65 Emissionsstrom Ie um mehr als das doppelte zu. Ordnung. Die an der IsolierschichtJV auftretende Diese Eigenschaft ist besonders nützlich bei verschie-Spannung bewirkt, daß einige Elektronen durch den denen Bildröhren. Wegen der Unterdrückung des verbotenen Bereich des Isoliermaterials N in das Dunkelstromes ist auch die Anwendung der beschrie-

benen Photokathode im Infrarotbereich besonders vorteilhaft.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Photokathode, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden Elektrode (M), einem Photoleiter (PC), einer dünnen Isolierschicht (N) mit Feldemissionseigenschaft und einer auf der Isolierschicht (iV) angeordneten Schicht (L) mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit besteht und daß der positive Pol einer Gleichspannungsquelle an die Schicht (L) und der negative Pol an die durchsichtige Elektrode (M) angeschlossen sind.

2. Photokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht eine Dicke von weniger als 150, vorzugsweise weniger als 100 Ängström aufweist.

3. Photokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit aus einem Alkalimetall, einem Metall, das mit einer einatomigen Schicht eines Alkalimetalls bedeckt ist, oder einem oberflächlich oxydierten Metall besteht.

4. Photokathode nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit weniger als 500 Ängström beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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