ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МИШЕНЬ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ПРИБОРА Российский патент 1995 года по МПК H01J29/44 

Изобретение относится к электронной вакуумной технике, в частности к области конструирования полупроводниковых мишеней, применяемых в кодирующих и передающих электронно-лучевых трубках.

Известна полупроводниковая мишень, используемая в вакуумном цилиндрическом триоде. Мишень состоит из диэлектрической подложки, слоя поликристаллического полупроводника и нанесенных на него двух групп металлических электродов, образующих встречно-штыревую систему. Мишень в приборе играет роль анода. Принцип действия мишени иллюстрируется работой прибора. При подведении к электродам всех необходимых напряжений в приборе, как в обычном триоде, возникает модулированный по плотности электронный пучок, который по мере распространения к аноду мишени ускоряется до энергии, соответствующей анодному напряжению, и, достигнув анода, бомбардирует его внутреннюю поверхность. При этом вследствие ионизации полупроводника резко изменяется его проводимость и в выходной цепи прибора появляется переменный ток, во много раз превышающий ток электронного пучка. Управление полупроводниковой мишенью осуществляется наведенным током. Под воздействием электронного луча в объеме полупроводника образуются электронно-дырочные пары, концентрация которых прямо пропорциональна поглощенной дозе электронного излучения. Для создания сколько-нибудь значительного тока во внешней цепи, а также для обеспечения высокого пространственного разрешения записи сигнала необходимо осуществить бомбардировку мишени частицами с энергией ≈ 20-50 кэВ.

Воздействие частиц с такой большой энергией приводит к деградации электрофизических характеристик полупроводниковых материалов (прежде всего к снижению концентрации носителей заряда и уменьшению их подвижности) и, следовательно, деградации полупроводниковых приборов на их основе, т. е. к сокращению срока службы мишени.

Известна полупроводниковая мишень, используемая в приборе с электронной бомбардировкой полупроводника на основе кристаллического диода с р-n-переходом [1] Такая мишень состоит из n- и р-зон, а также металлических электродов, к которым прикладывается напряжение обратного смещения. Принцип работы мишени основан на том, что при бомбардировке ее электронным пучком изменяется проводимость диода, благодаря чему в выходной цепи прибора, в котором используется данная мишень, появляется ток, превышающий ток электронного пучка. В этом устройстве управление также осуществляется наведенным током. За счет непосредственного воздействия пучка быстрых электронов на мишень она быстро деградирует, что обуславливает ограниченный срок ее службы.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является мишень на транзисторах [2] которая представляет собой полупроводниковую структуру с двумя переходами.

Под воздействием электронного пучка происходит ионизация атомов в активной области полупроводникового транзистора, появляются избыточные носители заряда, повышается проводимость эмиттерного перехода транзистора, транзистор открывается, и в нагрузке, подключенной к транзистору мишени, появляется ток. Управление мишенью осуществляется наведенным током, т. е. под воздействием электронного пучка в р-n-переходе образуются электронно-дырочные пары, которые разделяются приложенным полем р-n-перехода, и возникающий при этом ток во внешней цепи оказывается пропорциональным величине мощности поглощенной дозы воздействующего электронного потока.

Непосредственно воздействие пучка быстрых электронов приводит к деградации полупроводника, что выражается в ухудшении со временем его электрофизических характеристик, и, следовательно, приводит к деградации полупроводниковых транзисторов мишени, что вызывает физическое старение самой мишени и уменьшение ее срока службы.

Цель изобретения сохранение электрофизических характеристик, обеспечивающих рабочее состояние транзисторов, путем увеличения срока службы мишени.

Для этого в мишень, выполненную на основе транзисторов, введены изолированные друг от друга металлические площадки, которые являются приемниками заряда электронного луча, причем каждая из площадок подключена к управляющему электроду транзистора, выбранного полевым.

Сопоставительный анализ прототипа и предложенного технического решения подтверждает соответствие его критерию "новизны".

Введенные металлические площадки выполняют роль экранов, что исключает воздействие потока быстрых электронов на активные элементы мишени, и, следовательно, исключают их радиационное повреждение. Отсутствие радиационного повреждения активных элементов мишени позволяет повысить срок службы предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. При этом металлические площадки, подвергающиеся воздействию электронного луча, выполняют роль коллекторов накапливающих заряд Q_к, воздействие которого на затвор полевого транзистора обеспечивает формирование логического сигнала. Каждая металлическая площадка электрически связана с управляющим электродом транзистора, поэтому при условии, что емкость металлической площадки не больше емкости затвора С_з, существенная часть заряда Q_к обеспечивает появление сигнала на затворе U_з Q_к/C_з. Таким образом, заряд, поглощенный металлической площадкой, создает управляющее напряжение на затворе транзистора. Биполярные транзисторы мишени такой способностью не обладают, поэтому в данном случае использоваться не могут.

В качестве активного элемента в предлагаемой мишени могут быть использованы лишь полевые транзисторы, управляемые зарядом. Сами полевые транзисторы являются более быстродействующими полупроводниковыми приборами, чем биполярные транзисторы при прочих равных условиях, поэтому они в составе мишени обеспечивают дополнительный эффект, а именно, обеспечивают более высокую скорость переключения мишени. Известно, что быстродействие биполярных транзисторов ограничивается низкой подвижностью неосновных носителей заряда в базе транзистора, паразитной диффузионной емкостью эмиттер-базового перехода и емкостью перехода база-коллектор. Быстродействие полевых транзисторов определяется, главным образом, временем пролета основных носителей заряда вдоль канала. Именно поэтому полевые транзисторы имеют существенно более высокое быстродействие по сравнению с биполярными транзисторами при прочих равных условиях. Таким образом, использование полевых транзисторов (в частности транзисторов с затвором Шоттки и транзисторов с высокой подвижностью электронов) позволяет сократить время переключения мишени по сравнению с прототипом. Необходимо отметить, что включение транзисторов возможно: с общим затвором, с общим истоком и с общим стоком, поэтому в формуле изобретения не конкретизируется электрод, подключенный к металлической площадке, а представлен обобщенным понятием "управляющий электрод".

В известных технических решениях отсутствуют признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1, 2 представлены топологические схемы полупроводниковой мишени и экрана, конструктивное выполнение которого представлено в двух вариантах; на фиг. 3 вариант использования полупроводниковой мишени в схеме кодирующей логики аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ).

Полупроводниковая мишень, представленная на фиг. 1 содержит металлические площадки 1, каждая из которых с помощью контактного элемента (площадки) 2 соединена с затвором полевого транзистора 3 (представлен вариант включения транзистора с общим истоком), сформированного на арсениде галлия n-типа проводимости с уровнем легирования > 10¹⁷ см^-3, который нарощен на полуизолирующей подложке арсенида галлия. Контактные элементы 2 изолированы друг от друга слоем 4 окиси кремния.

Кроме того, на фиг. 1 изображен поток 5 электронов и металлический экран 6 с отверстиями, расположенными напротив металлических площадок 1. Экран исключает попадание электронов на поверхность, свободную от площадок 1. Для отвода электронов, выбиваемых из площадок 1, на экран 6 подается небольшой положительный потенциал +Е относительно мишени и экран заземляется.

Полупроводниковая мишень, представленная на фиг. 2, выполнена аналогично, но в этом случае использована другая конструкция экрана 6, в которой отверстия, расположенные напротив металлических площадок 1, затянуты металлической фольгой 7 толщиной в несколько микрон, которая применяется для уменьшения энергии электронов электронного пучка ЭЛТ, а также для умножения числа вылетающих из фольги электронов.

Схема кодирующей логики, представленная на фиг. 3, содержит мишень, состоящую из линейки металлических площадок 1, подключенных с помощью контактных площадок 2 к затворам полевых транзисторов 3. Выходы транзисторов через усилители 8 подключены к входам дешифратора 9, сток каждого транзистора 3 через сопротивление 10 подключен к источнику питания Е, исток каждого транзистора подключен к общей шине, а затвор каждого транзистора через сопротивление 11 подключен также к общей шине. Линейка из металлических площадок 1 расположена параллельно направлению развертки луча ЭЛТ при подаче на отклоняющую систему аналогового сигнала, преобразуемого в цифровую форму. Линейные размеры каждой площадки составляют (0,5-1) d где d диаметр электронного луча на мишени, а площадь каждой площадки достаточна для накопления заряда Q_кпри прохождении вдоль поверхности площадки 1 электронного луча, достаточного для формирования логического сигнала. Полевые транзисторы выбираются такие, у которых емкость затвора удовлетворяет условию
С_з ≅ где U_пор. пороговое напряжение на затворе транзистора, при котором за время, не превышающее полупериода тактового сигнала, формируется перепад тока стока, достаточный для получения логического уровня сигнала на последующей схеме.

Работу мишени можно наглядно продемонстрировать при пояснении работы кодирующей логики АЦП на ЭЛТ. Электронный луч с помощью отклоняющей системы ЭЛТ отклоняется на величину, пропорциональную величине входного сигнала, чем устанавливается взаимно однозначное соответствие между позицией заряженной металлической площадки 1 и величиной аналогового сигнала.

Величину тока электронного луча устанавливают равной I_л ≥ где Δt_m максимально допустимое время экспозиции площадки 1 при облучении ее налетающими электронами луча при его перемещении по площадке, определяемое максимально допустимой временной апертурной неопределенностью АЦП.

Металлические площадки 1 могут быть заряжены положительно или отрицательно, что определяется конструкцией экрана 6. В известных ЭЛТ энергия электронов электронного пучка составляет десятки КэВ. Если используется экран, представленный на фиг. 1, то электроны беспрепятственно пролетают через экран, бомбардируют металлические площадки 1, и, выбивая из последних электроны, заряжают их положительно. Выбитые электроны притягиваются положительно заряженным экраном и стекают на шину "земля". При этой конструкции экрана происходит обогащение электронами канала проводимости полевого транзистора, поэтому удобно использовать нормально закрытые полевые транзисторы.

Если используется экран, представленный на фиг. 2, то, проходя через металлическую фольгу, закрывшую отверстия экрана, энергия электронов снижается до единиц КэВ, они накапливаются на металлических площадках, заряжая их отрицательно. При этом происходит обеднение канала проводимости полевого транзистора электронами, поэтому удобно использовать нормально открытые транзисторы.

Потенциал затвора каждого транзистора 3, связанного с заряженной площадкой 1, устанавливается равным Q_к. Малая емкость затвора полевого транзистора 3 позволяет при наличии сравнительно небольшого заряда Q_к на площадке 1 получать большие напряжения смещения на затворе. В частности, при захвате на емкости затвора в 0,1 пФ заряда в 10^-14 Кл (≈6˙10⁴электронов) потенциал затвора изменяется на 0,1 В, что при крутизне характеристики транзистора 3 в 10 мА/В дает перепад тока стока в 1 мА. При экспозиции 10 пс достаточно иметь ток луча в 1 мА, чтобы обеспечить захват такого заряда. При токе луча в 10 мА экспозиция может быть доведена до времени 1 пс. Возникший перепад тока стока транзистора 3 достаточен для срабатывания усилителя 8. Усиленный сигнал поступает на вход дешифратора 9. Код с выходов усилителей 8 преобразуется дешифратором 9 в двоичный код, соответствующий преобразуемому аналоговому сигналу.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает значительно большим сроком службы за счет исключения непосредственного влияния пучка быстрых электронов на активные элементы мишени и меньшим временем переключения за счет использования полевых транзисторов, применение которых стало необходимым условием при введении металлических площадок.

Использование: электронная вакуумная техника, в частности полупроводниковые мишени, применяемые в кодирующих и передающих электронно-лучевых трубках. Сущность изобретения: в мишень, выполненную на основе транзисторов, введены изолированные друг от друга металлические площадки (МП), которые являются приемниками заряда электронного луча. В качестве транзисторов использованы полевые транзисторы (ПТ). Каждая МП электрически соединена с управляющим электродом ПТ. 3 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МИШЕНЬ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ПРИБОРА, выполненная на основе транзисторов, отличающаяся тем, что в нее введены изолированные одна от другой металлические площадки, образующие приемники заряда электронного луча, каждая из которых подключена к управляющему электроду транзистора, выбранного полевым.