DE2638652A1

DE2638652A1 - Elektronenstrahlroehre fuer bildaufnahme

Info

Publication number: DE2638652A1
Application number: DE19762638652
Authority: DE
Inventors: Alfred B Laponsky; Raymond J Malanoski; Walter J Whitson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-09-05
Filing date: 1976-08-27
Publication date: 1977-03-17
Also published as: JPS5534537B2; JPS5232626A; US4004842A; DE2632035A1

Description

Düsseldorf, 26. Aug. 1976

46,241-D1
7684

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Elektronenstrahlröhre für Bildaufnahme

Die Erfindung betrifft Elektronenstrahlröhren für Bildaufnahmezwecke, die als Elektronenstrahl-Auftreffläche eine Diodenanordnung besitzen.

Eine besondere derartige Dioden-Auftreffläche der Mesa- oder Säulenbauart wird in der US-PS 3 821 092 sowie in der US-Anmeldung 462 918 vom 22.4.74 der Anmelderin beschrieben. Die dort beschriebene aus Dioden bestehende Auftreffläche, im folgenden auch¹ Ziel genannt, sind mesa-artige oder säulenartige Diodenziele mit massivem, mit hohem Oberflächengebiet ausgestatteten Kontaktdeckeln, die sich auf der Auslese- oder Ausgangsseite des Ziels von der Säulendiode erstrecken.

Gewöhnlich ist eine isolierende Oxidschicht auf der Ausgangsoberfläche der Diodenziele zwischen einzelnen Dioden vorgesehen, um sicherzustellen, daß die abtastenden Elektronen nur auf den Kontaktkappen landen und somit das umgekehrte Vorspannungspotential über den Dioden aufrechterhalten, das zur Erzeugung des Ausgangssignals als Funktion der Eingangsstrahlung erforderlich ist.

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Die vorspringenden Metallkontaktkappen, die sich von den Dioden erstrecken, dienen als Elektronenstrahl-Aufnahmestützen und als Schutz gegen Zielabnutzung. Das Ziel wird einen Dunkelstrompegelanstieg mit der Betriebszeit zeigen, und zwar aufgrund der Beschädigungen des Halbleiterziels durch weiche Röntgenstrahlungen. Die Größe der Metallkappen schützt das Gebiet zwischen den Dioden, um die Elektronenstrahlen zu hindern, auf der Oxidschicht aufzutreffen und dort als verzerrendes Ladungsmuster sich aufzubauen. Es wurde gefunden, daß eine derartige verzerrende Oxidladung beseitig werden kann, indem ein oberflächlicher Leckweg hohen Widerstandes auf dem Oxid angeordnet wird. Die Widerstandsschicht ergab aber schlechte Verzögerungseigenschaften für das Ziel. Die Verzögerung ist die Antwortzeit des Ziels auf Eingangsladungs-Strahlungsmuster und hauptsächlich eine'Funktion der Kapazität des Ziels. Das mit Widerstands-chicht versehene Diodenziel zeigt, wenn es anfänglich betrieben wird, eine verschlechterte Strahlannahme und längere Verzogerungscharakteristika.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenstrahlröhre der eingangs genannten Art mit verbesserten Betriebseigenschaften zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Die Erfindung besteht also im wesentlichen aus einer für Bildaufnahmezwecke geeigneten Elektronenstrahlröhre mit einem fotoemittierenden Eingangsteil, einem auf der Eingangsseite angeordneten, im wesentlichen ebenen und aus einer Diodenanordnung bestehendem Zielteil, von dem die von dem fotoemittierenden Eingangsteil abgegebenen Fotoelektronen gesammelt werden, sowie aus elektronischen Abtasteinrichtungen, die von der Ausgangsseite des Ziels einen Abstand besitzen, um über den einzelnen Dioden der Anordnung ein Gegenvorspannungspotential aufrechtzuerhalten. Der die .Diodenanordnung umfassende Zielteil enthält Metallkontaktkappen mit vergrößerter, hoher

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Oberfläche, die sich von den einzelnen Diodenteilen auf der Ausgangsseite des Ziels erstrecken, wobei eine dünne Schicht aus einem Material mit hohem Widerstand über der Ausgangsseitenoberflache" des Ziels angeordnet ist, die die Diodenteile und die Oberfläche zwischen den Diodenteilen bedeckt. Erfindungswesentlich ist, daß die Röhre betriebsgealtert wurde, indem auf den Zieleingang eine Strahlung gerichtet wird, die ausreicht, um für zumindest 50 Stunden eine Ausgangesignal-

2 stromdichte von zumindest 300 nA/cm zu erzeugen, wobei das Gegenvorspannungspotential auf ungefähr 7,5V gehalten wird.

Auf diese Weise wird eine Strahlannahme von 60 bis 70 % erreicht, die Verzögerungseigenschaften deutlich vermindert und die Ladung des Ziels zwischen den Dioden beseitigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Elektronenstrahlröhre für Bildaufnahmen;

Fig. 2 in größeren Einzelheiten das Diodenziel; und

Fig. 3 einen Schnitt durch das in Fig. 2 dargestellte Diodenziel.

In Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlröhre für Bildaufnahmen schematisch wiedergegeben. Die Elektronenstahlröhre besteht aus einem evakuierten Kolben 10, der einen röhrenförmigen Körperteil 12 umfaßt, der einen Knopfstiel 14 besitzt, der an einem Ende des Körperteils vorgesehen ist, um dieses Ende abzuschließen. Der Knopfstiel 14 enthält auch mehrere Zuführungsdrähte (nicht dargestellt), um innerhalb des Kolbens angeordneten Elektroden Potentiale zuzuführen. Das andere

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Ende des röhrenförmigen Gliedes 12 ist von einer Frontplatte verschlossen. Die Frontplatte 20 besteht aus einem geeigneten Material, das für die von der aufzunehmenden Bildszene abgegebene Eingangsstrahlung durchlässig ist. Ein geeignetes Material für die Frontplatte 20 ist Glas oder Quarz. Die Frontplatte kann eine faseroptische Konstruktion besitzen. Auf der inneren Fläche der Frontplatte 20 ist eine Fotokathode 22 vorgesehen. Die Fotokathode 22 kann aus einem geeigneten, auf die Eingangsstrahlung reagiffenden Material bestehen, beispielsweise aus einem multialkalischen Fotokathodenmaterial. Die Fotokathode wird die Eingangsstrahlung absorbieren, die von einer geeigneten Linse 25 auf die Frontplatte gerichtet und fokussiert wird. Ein Ziel 24 ist zwischen der Fotokathode 22 und der ablesenden Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 vorgesehen. Von der Fotokathode 22 emittierte Fotoelektronen werden durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch eine Elektrode 27, auf das Ziel 24 fokussiert. Geeignete Strukturen für die Bilddarstellung der Fotoelektronen auf dem Ziel sind bekannt und werden beispielsweise in den Bänden 1 und 2 der Druckschrift "Photoelectronic Imaging Devices" beschrieben, die von Plenum & Press, New York - London (1S71) herausgegeben wurden.·

Die ablesende Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 ist hinsichtlich des Ziels 24 am entgegengesetzten Ende des Kolbens 10 vorgesehen und erzeugt einen bleistiftartigen Elektronenstrahl, um über dem Ziel 24 ein Abtastraster zu erzeugen. Die Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 umfaßt eine Kathode 28, die auf Massepotential liegen kann. Ein Steuergitter 30 und eine Fokussierelektrode 32 können in der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 ebenfalls vorhanden sein. Ein Gitter kann angrenzend zum Ziel 24 vorgesehen sein und auf einem positiven Potential von nngefähr 500 V hinsichtlich Masse liegen. Die von der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 ausgehenden Elektronen können entweder durch elektrostatische oder durch elektromagnetische Einrichtungen fokussiert werden. Eine elektromaynetische Fokussierspule 36 ist um den äußeren Teil des röhrenförmigen Gliedes 12 angeordnet. Die Ablenkein-

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richtungen können ebenfalls elektrostatisch oder elektromagnetisch sein, in diesem speziellen Beispiel ist eine elektromagnetische Spule 38 zur Ablenkung des Elektronenstrahls in einem Rastermuster über dem Ziel 24 dargestellt. Die Fotokathode 22 kann mit einer Quelle 58 für Hochpotential von etwa 10.000 V (hinsichtlich Masse negativ) verbunden sein. Das Zielglied 24 ist mit einem geeigneten Potential von etwa +10 V bezüglich Masse versehen, und zwar mit Hilfe einer Potentialquelle 42. Zwischen der Spannungsquelle 42 und dem Ziel 24 ist ein Widerstand 44 vorgesehen, um das Ausgangssignal der Einrichtung ableiten zu können.

Das Ziel 24 besteht aus einer Diodenanordnung und ist in Fig. in größeren Einzelheiten gezeigt, die eine Draufsicht auf ein Fragment der Abtast- oder Ausgangsseite des Ziels wiedergibt, während Fig. 3 eine Schnittansicht durch das Ziel darstellt. Das Ziel 24 umfaßt einen Körper oder ein Substrat 50, das aus einem geeigneten halbleitenden Material wie Silizium, Germanium oder Indiumarsenid bestehen kann. In der in den Fig. 2 und 3 dargestellten speziellen Ausführungsform besteht das Substrat 50 aus einem η-artigen Siliziummaterial mit. einem Widerstand von etwa 10 Ohm-cm. Die Kristallorientierung des Plättchens kann von jeder geeigneten Art sein, wie beispielsweise 111 , 100 oder 110 . Die Eingangsseite des Ziels 24, d. h., die Seite, die auf die Fotokathode 22 gerichtet ist, ist mit einer N+-Schicht 52 versehen. Die N+-Schicht 52 dient nicht nur als der elektrische Kontakt des Ziels 24, sondern erzeugt auch ein Feld, um zu verhindern, daß sich an der Eingangsoberfläche Elektronenfehlstellen rekombinieren.

Die gegenüberliegende Seite des Körpers 50, die von der Fotokathode 22 entfernt liegt, wird als Auslese- oder Ausgangsseite des Ziels 24 bezeichnet. Die Ausgangsseite des Ziels 24, die Γη Fig. 2 dargestellt ist, ist mit mehreren Säulen 54 versehen, die sich von dem Substrat 50 erstrecken. Die Säulen 54 besitzen über der Oberfläche des Körpers 50 eine Höhe von etwa 3 bis 5 Mikron. Die Säule 54 besitzt einen rechteckigen Querschnitt

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und ist auf jeder Seite etwa 4 Mikron breit. Die Säulen 54 sind auf dem Plättchen durch Herausätzen der Umgebungsteile des Plättchens gebildet, um einen Festungsgrabenteil 55 um die Säulen 54 zu erzeugen. Die Entfernung von der Bodenoberfläche 56 des Festungsgrabens 55 und der gegenüberliegenden oder Eingangsoberfläche des Plättchens beträgt etwa 10 Mikron. Die rückspringende Oberfläche 56 wie auch die Seitenwände der Säulen 54 sind mit einer Beschichtung 57 aus einem geeigneten isolierenden Material, wie beispielsweise Siliziumdioxid, versehen. Die Dicke der Beschichtung 57 kann ungefähr 0,5 bis 1 Mikron betragen. Ein leitender Kontakt oder Konsole 60 ist auf der Oberseite einer jeden Säule 54 vorgesehen, und die leitenden Kontakte 60 bedecken nicht nur die Oberseitenoberfläche der Säule 54, sondern erstrecken sich auch noch über die isolierende Beschichtung 57 hinaus, die auf den Seitenwänden der Säulen 54 und der zurückspringenden Oberfläche 56 vorgesehen ist, um so einen Spalt von etwa 2 Mikron zwischen angrenzenden leitenden Kontakten 60 zu liefern. Die leitenden Kontakte 60 können aus jedem geeigneten elektrisch leitendem Material bestehen, wie beispielsweise aus Gold.

Wie am besten aus Fig. 3 * zu erkennen ist, ist über der gesamten äußeren Seite des Diodenziels vor der Ablagerung der Metallkontaktkappen eine Schicht 59 aus einem Material mit hohem Widerstand abgelagert. Die Widerstandsschicht 59 kann typischerweise aus Siliziumnitrit oder Siliziumkarbid bestehen,

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wobei der Schichtwiderstand etwa 5 χ 10 0hm pro Flächeneinheit bis 1O 0hm pro Flächeneinheit beträgt. Die Widerstandsschicht 59 ist bis zu einer Dicke von etwa 100 bis 1.000 S abgelagert. Die Funktion der Widerstandsschicht liegt darin, irgendwelche Elektronen abzuleiten, die auf der Oberfläche zwischen den Kontaktkappen landen. Das hohe Oberflächengebiet, die Metallkontaktkappen 60, sind über der Widerstandsschicht oberhalb der Diodenteile des Ziels angeordnet.

Beim Betrieb der Einrichtung der Fig, 1 wird von der Szene ausgehende Strahlung durch die Linse 25 auf die Fotokathode 22

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gerichtet. Diese Strahlung wird von der fotoemittierenden Kathode 22 absorbiert und Fotoelektronen erzeugt und auf das Ziel 24 zu beschleunigt. Der Elektronenstrahl, der von der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 ausgeht, erzeugt zunächst und dann periodisch immer wieder eine umgekehrte Vorspannung an dem PN-Übergang, der innerhalb des Ziels zwischen dem Kontakt 60 und dem Plättchen 50 gebildet wird. Die Elektronen treffen durch die Schicht 52 hindurch auf den η-artigen Körper oder die Substratregion 50 auf und erzeugen ein entsprechendes Muster von Elektrpnenfehlstellenpaaren aufgrund der Elektronenbeschießung. Diese Elektronenfehlstellen ("Löcher") diffundieren zu dem von den Dioden gebildeten Obergang und entladen teilweise die umgekehrt vorgespannten Dioden. Der Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 26 wird diese Dioden bei der nächsten Abtastung wieder laden und dabei einen Ausgangsimpuls an den Videoausgang liefern, der über dem Widerstand 44 abgenommen wird. Der Betrieb erfolgt in der Weise, daß die ElektronenstrahlerZeugungseinrichtung den Kontakt 60 auf Kathodenpotential auflädt, während die von der Schicht 52 gebildete Rückenplatte sich auf einem positiven Potential von etwa 7,5V befindet.

Eine Reihe von Diodenzielen sowie Elektronenstrahlröhren, die derartige Diodenziele besaßen, wurden getestet. Diese erste Serie von Elektronenstrahlröhren enthielten die Widerstandsechicht 59 und die Verzögerungseigenschaften der Röhren wurden bestimmt. Die Verzögerung wurde hier dadurch gemessen, daß die Röhre betrieben wurde, während ein Teil des Ziels von Eingangsstrahlung getroffen wurde. Für diese Eingangsstrahlung wurde das Ausgangssignal gemessen. Die Eingangsstrahlung wurde abgeschaltet und nach 50 ms der Ausgangssignalstrom gemessen. Die Verzögerung ist das Verhältnis von diesem 50 ms-Signal zu dem früheren Ausgangssignal. Die anfänglich gemessene Verzögerung betrug 19 %.

Eine zweite Serie von.Röhren, die ebenfalls die Widerstandsschicht 59 enthielten, wurden betriebsgealtert, indem auf

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sie eine Eingangs.strahlung gerichtet wurde, die ausreichte,

2 um eine Ausgangssignalstromdichte von zumindest 300 nA/cm zu erzeugen. Das Gegenvorspannungspotential wurde auf etwa 7,5 V aufrechterhalten. Die Alterung wurde zumindest 50 Stunden lang durchgeführt. Die Verzögerung derartiger Röhren betrug nur noch 13 %.

Bei keiner der Serien wurde irgendwelcher Ladungsaufbau auf der Widerstandsschicht beobachtet und die Strahlannahme der Röhre war sehr hoch.

Durch die Widerstandsschicht und die Alterung können vermutlich auch planare Diodenziele sowohl von der Mesabauart wie auch von der Säulenbauart verbessert werden, wie sie auch nützlich sind für andere Kontaktkonsolenstrukturen.

Patentanspruch;

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Claims

Patentanspruch;

Elektronenstrahlröhre für Bildaufnahme mit einem fotoemittierenden Eingangsteil, einem im wesentlichen planaren, eine Diodenanordnung umfassenden Zielteil auf der Eingangsseite, auf der die von dem fotoemittierenden Eingangsteil abgegebenen Fotoelektronen gesammelt werden, einer Elektronenstrahlabtasteinrichtung, die von der Ausgangsseite des Ziels einen Abstand besitzt, um über den einzelnen Dioden der Anordnung ein Gegenvorspannungspotential aufrechtzuerhalten, wobei das aus der Diodenanordnung bestehende Zielteil Metallkontaktkappen mit vergrößerter, hochliegender Oberflächengröße versehen ist, wobei sich die Kontaktkappen von einzelnen Diodenteilen auf der Außenseite des Ziels erstrecken und wobei über der Aus- . gangsseitenflache des Ziels eine dünne Schicht aus einem Material mit hohem Widerstand angeordnet ist, die die Diodenteile und die Oberfläche zwischen den Diodenteilen abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre betriebsgealtert wurde, indem auf den Zieleingang mindestens 50 Stunden lang eine Eingangsstrahlung gerichtet wurde, die ausreichte, um eine Ausgangs«

2 signalstromdichte von zumindest 300 nA/cm zu erzeugen, .wobei das Gegenvorspannungspotential auf etwa 7,5 V gehalten wurde.

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