DE1201865B - Schirm fuer Fernsehaufnahmeroehren vom Vidicontyp - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MTWWt PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H04n

HOIj

Deutschem.: 21 al-32/35

W 35930 VIII a/21 al
7. Januar 1964
30. September 1965

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Speicherschirm unter Verwendung der Photoleitfähig\eit für Fernsehaufnahmeröhren vom Vidicontyp.

Das Vidicon besitzt bekanntlich einen Vakuumkolben, der eine durchsichtige Frontplatte aufweist. Auf der Innenfläche der Frontplatte befindet sich eine elektrisch leitende Schicht aus einem lichtdurchlässigen Werkstoff, die als Signalplatte bezeichnet wird. Hierauf befindet sich eine photoleitende Schicht, die den eigentlichen Speicherschirm bildet. Am anderen Ende des Kolbens befindet sich ein Elektronenstrahlerzeuger, mit dessen Hilfe der Speicherschirm abgetastet werden kann. Meist geschieht die Abtastung mit langsamen Elektronen, wobei die als Elektrode dienende Signalplatte auf einem positiven Potential von einigen Volt (5 bis 100 Volt) gegenüber der Kathode liegt. An den belichteten Stellen des Photoleiters findet ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Oberflächen desselben statt, der bei der Abtastung mit dem Elektronenstrahl kurzzeitig aufgehoben wird. Die Umladung macht sich wegen der kapazitiven Kopplung der Abtastfläche des Schirmes mit der Signalplatte in einem an die Signalplatte angeschlossenen Ausgangskreis bemerkbar.

Zur Belichtung des Speicherschirmes kann sichtbares oder unsichtbares Licht jeder Art, aber auch ein Teilchenbeschuß (z. B. mit Elektronen) dienen, falls es sich um eine Speicherplatte mit durch Elektronenbeschuß induzierter Leitfähigkeit handelt.

Die beschriebene Vidiconröhre ist einfach, zuverlässig und robust und deshalb für schwierige Betriebsbedingungen, z. B. in Raumfahrzeugen, besonders geeignet. Sie besitzt aber mehrere Nachteile, zu denen insbesondere die geringe Lichtempfindlichkeit und der zu kleine Dunkelwiderstand gehören. Letzterer bewirkt eine schwache Speicherfähigkeit. Eine Verbesserung des Dunkelwiderstandes führt zu einem besseren Störabstand. Ein weiterer Nachteil der Vidiconröhre ist der verzögerte Einsatz der Photoleitfähigkeit, wodurch bewegte Objekte in dem gesendeten Bild eine Fahne hinter sich herziehen.

Es sind verschiedene Vorschläge zur Verbesserung der Vidiconröhre gemacht worden. So ist es bekannt, den Speicherschirm so auszubilden, daß der Photoleiter die Elektrode nur an bestimmten Stellen berührt und an den übrigen Stellen durch eine Isolierschicht von der Elektrode getrennt ist. Auf diese Weise soll die Speicherkapazität des Schirmes erhöht werden, ohne daß ein photoleitendes Material mit sehr hohem spezifischem Widerstand verwendet werden muß. Die Speicherkapazität soll durch diese Maßnahme mindestens V25 Sekunde betragen.

Schirm für Fernsehaufnahmeröhren vom
Vidicontyp

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Robert A. Simms, Horseheads, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. Januar 1963 (250 268)

Demgegenüber ist der erfindungsgemäße Schirm für Fernsehaufnahmeröhren vom Vidicontyp, bestehend aus einer photoleitenden Schicht, einer die Elektrode hierfür darstellenden lichtdurchlässigen Signalplatte und einer dünnen Isolierschicht zwischen photoleitender Schicht und Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht die beiden anderen Schichten vollständig trennt und eine Dicke von weniger als 100 Angström, vorzugsweise zwischen 50 und 100 Angstrom, aufweist und eine Bandlücke von mehr als 4 Elektronenvolt besitzt.

Es hat sich gezeigt, daß bei der angegebenen Dicke der durchgehenden Isolierschicht, die an keiner Stelle eine Berührung zwischen der photoleitenden Schicht und der Elektrode zuläßt, der Dunkelstrom überraschenderweise erheblich verringert werden kann. Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, daß der Bildschirm besonders empfindlich für kurzwelliges Licht ist und daß die Zeitkonstante trotz guter Speicherfähigkeit ganz erheblich herabgesetzt ist. Die Aufbauzeit der Speicherladung beträgt weniger als V30 Sekunde, und beim Abtasten ist die Ladung nach etwa V30 Sekunde bereits zu 75% verschwunden.

Die Anordnung einer Isolierschicht zwischen der Signalplatte und der Speicherplatte ist bei Fernsehaufnahmeröhren an sich bekannt. Bei den bekannten

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Anordnungen handelt es sich aber um Speicher- Nach dem Aufbringen der durchsichtigen Elek-

schirme, die auf dem äußeren lichtelektrischen trode wird die Anordnung in ein Vakuum von etwa Effekt bzw. der Sekundäremission beruhen, bei denen 10~⁵ Torr gebracht. Ein Tantalschiffchen, das genau also durch die Belichtung oder einen von ihr erzeug- 1 mg eines Isolierstoffes (z. B. Siliziummonoxyd) entten Elektronenbeschuß Elektronen ausgelöst werden, 5 hält, wird in einer Entfernung von nicht weniger als die in das Vakuum der Röhre austreten und dort von 25 cm von der Schirmanordnung aufgestellt. Der einer Auffangelektrode aufgenommen werden. Dem- große Abstand des Schiffchens von der Schirmangegenüber handelt es sich bei der Erfindung wie bei Ordnung gewährleistet die Gleichmäßigkeit der aufallen Röhren vom Vidicontyp um einen Speicher- gedampften Isolierschicht. Das Tantalschiffchen wird schirm, der auf der Photoleitfähigkeit bzw. der indu- io dann 5 Minuten lang auf eine Temperatur von zierten Leitfähigkeit beruht, also auf einer Verringe- 1350° C erhitzt. Wird die Schirmanordnung vor und rung des inneren Widerstandes der Schicht an den nach dem Aufdampfen gewogen, so läßt sich die belichteten bzw. mit Elektronen beschossenen Stel- Dicke der dadurch erzeugten Isolierschicht 34 belen. Die hier vorliegenden Verhältnisse sind mit rechnen. Bei Einhaltung der angegebenen Bedingundenen bei Bildaufnahmeröhren, die von der äußeren 15 gen hat die Schicht aus Siliziummonoxyd eine Dicke Elektronenauslösung Gebrauch machen, nicht ver- von etwa 50 bis 100 Angstrom. Ein anderes geeiggleichbar. netes Isoliermaterial ist z. B. Magnesiumoxyd. Wider-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der stand und Dicke der Isolierschicht 34 müssen so ge-Zeichnung erläutert. Hierin ist wählt sein, daß eine hohe Feldstärke von mehr als

F i g. 1 eine Schnittdarstellung einer Fernsehauf- 20 10⁵ Volt/cm von der Isolierschicht ausgehalten wernahmeröhre unter Verwendung der Erfindung, den kann, wenn die bei einem Vidicon normalen Be-

F i g. 2 ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen triebsspannungen angelegt werden. Dies trifft zu, Speicherschirm, wenn die Dicke der Isolierschicht etwa 50 bis

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Empfind- 100 Angstrom beträgt und die Bandlücke des verlichkeitskurven für verschiedene Schirme unter ver- 35 wendeten Isoliermaterials etwas größer als 4 Elektroschiedenen Bedingungen und nenvolt ist.

F i g. 4 eine Darstellung der Speichereigenschaften Die photoleitende Schicht 36 ist ein Halbleiter, des-

des erfindungsgemäßen Schirmes. sen Dunkelwiderstand gleich oder größer als

F i g. 1 zeigt eine Fernsehaufnahmeröhre mit 10¹² Ohm-cm ist und dessen Bandlücke entsprechend Vakuumkolben 12, worin sich ein Elektronenstrahl- 30 dem gewünschten spektralen Empfindlichkeitsbereich erzeuger 20 und ein Speicherschirm 30 befinden. Der weniger als 3,5 Elektronenvolt beträgt. Die Dielek-Elektronenstrahlerzeuger 20 besteht mindestens aus trizitätskonstante des Halbleiters soll so klein wie der Kathode 22, dem Steuergitter 24 und einer oder möglich sein. Halbleiter, welche diese Bedingungen mehreren Beschleunigungsanoden 26 und 28, die an erfüllen, sind z. B. As₂Se₃, As₂Se₂S, AsSe und Sb₂S₃. entsprechende Spannungsquellen angeschlossen sind, 35 Verwendet man z. B. As₂Se₃, so kann das Halbderart, daß ein dünner Elektronenstrahl erzeugt wird. leitermaterial in ähnlicher Weise wie vorher beschrie-Der Kolben 12 besitzt eine ebene Stirnplatte 14 aus ben auf die Isolierschicht 34 aufgedampft werden. Glas od. dgl. Auf der Innenfläche der Stirnplatte 14 Die Schirmanordnung wird in ein Vakuum von etwa befindet sich eine lichtdurchlässige Elektrode 32. 10~⁵ Torr gebracht, und eine bestimmte Menge Erfindungsgemäß ist die Elektrode 32 mit einer Iso- 40 Arsenselenid wird in ein Tantalschiffchen gegeben lierschicht 34 überzogen, auf der sich wieder eine und in einem Abstand von etwa 25 cm von der photoleitende Schicht 36 befindet. Die Elektrode 32 Schirmanordnung aufgestellt. Beispielsweise werden stellt die Signalelektrode oder Grundplatte des 500 bis 600 mg des Halbleitermaterials in das Schiff-Speicherschirmes 30 dar. Sie ist über eine Ausgangs- chen eingefüllt. Bei einem ausgeführten Beispiel wurleitung 38 und einen Widerstand 37 mit einer Span- 45 den 580 mg der stöchiometrischen Verbindung nungsquelle 39 verbunden. Am Widerstand 37 wird As₂Se₈ verwendet. Diese wurde so hergestellt, daß das Ausgangssignal abgenommen. 1,4~98 g As und 2,369 g Se in ein Quarzgefäß ge-

Um den vom Elektronenstrahlerzeuger 20 erzeug- bracht wurden, das unter einem Vakuum von ten Strahl auf dem Schirm 33 zu konzentrieren und 10~⁴ Torr abgeschmolzen und auf 650° C erwärmt diesen abzutasten, sind in bekannter Weise Ablenk- 50 wurde. Das Gefäß wurde geschüttelt, um eine innige Vorrichtungen, z. B. eine Fokussierungsspule 40, eine Vermischung der Schmelze zu gewährleisten, und in Ablenkspule 41 und eine Richtspule 42, vorgesehen. Luft auf Zimmertemperatur abgekühlt. Nach dem Unmittelbar vor dem Schirm 30 befindet sich ein Einfüllen des Halbleitermaterials und dem Evakuie-Gitter 33, das zusammen mit der Spule 40 bewirkt, ren wird das Tantalschiffchen 3 Minuten lang auf daß die Elektronen senkrecht auf den Schirm 30 auf- 55 eine Temperatur von 700° C erhitzt, bis der Halbtreffen. Alle diese Merkmale sind, abgesehen von leiter in ausreichender Dicke auf der Isolierschicht der Schirmkonstruktion, an sich bekannt. 34 niedergeschlagen ist. Die Dickenüberwachung ge-

Fig. 2 zeigt im einzelnen den Aufbau des Schir- schieht in bekannter Weise durch Beobachtung der mes 30. Auf der lichtdurchlässigen Stirnplatte 14, Lichtdurchlässigkeit des Schirmes während des Auf-(z. B. aus Glas) befindet sich eine lichtdurchlässige 60 dampfens, bis die gewünschte Eigenschaft erreicht ist. Elektrode 32 mit einer Dicke von etwa 500 Ang- Es wurde gefunden, daß im vorliegenden Fall eine

ström. Der Flächenwiderstand dieser Elektrode 32 Dicke von etwa 1000 Angström erforderlich ist. Bei soll geringer als 200 Ohm/cm² sein. Sie kann bei- der geschilderten Verfahrensweise ergibt sich ein spielsweise aus Zinnoxyd bestehen und wird so ge- harter, metallartiger Niederschlag. Seine Dichte entbildet, daß eine Lösung eines Zinnsalzes auf die er- 65 spricht derjenigen des kompakten Körpers. Gegebehitzte Stirnplatte 14 aufgesprüht wird. Man kann nenfalls läßt sich auch ein poröser Niederschlag von auch so vorgehen, daß ein leitendes Material wie geringerer Dichte in bekannter Weise, z. B. durch Gold auf die Stirnplatte 14 aufgedampft wird. Aufdampfen in Anwesenheit eines inerten Gases, er-

zeugen. In diesem Falle wäre die Schichtdicke etwa 1200 Angstrom.

Ein in der beschriebenen Weise erzeugter Schirm hat bessere Lichtempfindlichkeit, kürzere Ansprechzeit und niedrigeren Dunkelstrom als bekannte Schirme der gleichen Art.

Dies ergibt sich aus den vergleichenden Kurven der F i g. 3. Hierbei beziehen sich die Kurven 1 und 2 auf eine Röhre, deren Speicherschirm in bekannter Weise aus einer porösen Schicht von Sb₂S₃ auf einer Elektrode aus Zinnoxyd besteht. Bei Kurve 1 betrug die Schirmspannung 20 Volt und bei Kurve 2 30 Volt. Die Schirmspannung ist die normalerweise positive, an die Elektrode 32 angelegte Spannung, wenn die freie Oberfläche im wesentlichen Kathodenpotential aufweist.

Die Kurven 3 bis 6 wurden mit erfindungsgemäßen Speicherschirmen aufgenommen. Bei den Kurven 3 und 4 bestand der Schirm aus einer durchsichtigen Elektrode aus Zinnoxyd, einer Isolierschicht aus SiO und einer porösen Schicht aus Sb₂S₃. Bei Kurve 3 betrug die Schirmspannung V_t 20 Volt und bei Kurve 4 30 Volt. Der Dunkelstrom I_d hat sich für eine Schirmspannung von 30 Volt von 0,2 auf 0,08 Mikroampere verringert.

Die Kurven 5 und 6 gelten wieder für Schirmspannungen V_t von 20 und 30 Volt. Bei dieser Röhre bestand der Speicherschirm aus einer Elektrode aus Zinnoxyd, einer Isolierschicht aus SiO und einer im Vakuum aufgebrachten Schicht aus As₂S₃. Der Dunkelstrom ist hier noch viel kleiner als im vorherigen Fall.

In F i g. 4 ist ein Vergleich zwischen einer Röhre nach der USA.-Patentschrift 3 046431 und einer erfindungsgemäßen Röhre durchgeführt. Bei der bekannten Röhre nach dieser Patentschrift treten ein Speichereffekt und ein Integrationseffekt auf, die häufig unerwünscht sind. Die Kurve 7, 8, 9 bezieht sich auf die dritte der oben beschriebenen Röhren, mit der die Kurven 5 und 6 gewonnen wurden. Gemaß Kurve 7 steigt das Signal in weniger als V30 Sekunde auf sein Maximum an und wird beim Abtasten durch den Elektronenstrahl in etwa Vso Sekunde auf ein Fünfundzwanzigstel seines Endwertes gelöscht (Kurve 8). Soll eine Speicherung durchgeführt werden, so kann gemäß Kurve 9 die Information nach Abschaltung des Abtaststrahles mehrere Sekunden gespeichert werden und läßt sich dann mittels des Abtaststrahles in etwa Vso Sekunde ablesen.

Demgegenüber beziehen sich die Kurven 10, 11 und 12 in F i g. 4 auf eine Röhre nach der USA.-Patentschrift 3 046 431, bei welcher der Speicherschirm aus einer Schicht von As₂Se₃ auf Zinnoxyd besteht. Kurve 10 zeigt die starke Integration, Kurve 11 den langsamen Abbau der Ladung durch mehrfache Abtastung mit dem Elektronenstrahl. Kurve 12 zeigt das Absinken der Ladung bei abgeschaltetem Abtaststrahl.

Der erfindungsgemäße Schirm ist auch bei einer Röhre mit durch Elektronenbeschuß induzierter Leitfähigkeit gemäß der USA.-Patentschrift 2900555 anwendbar.

Die mit der Erfindung erzielte Verbesserung kann vermutlich auf folgende Weise erklärt werden. Im Falle eines idealen Schirms mit Photoleitfähigkeit, der aus einer durchsichtigen Elektrode und einem darauf niedergeschlagenen Photoleiter besteht, ist ein Ohmscher Kontakt zum Halbleiter erforderlich, der definitionsgemäß die für die Photoleitung erforderlichen freien Träger liefert. Trifft eine Lichtstrahlung auf, so wird ein Photon unter Paarbildung eines freien Elektrons und eines Loches absorbiert. Infolge des angelegten elektrischen Feldes wandern die durch die Strahlung erzeugten Elektronen zur positiven Elektrode und die Löcher zur negativen Elektrode. Nach Abführung des Primärelektrons über die positive Elektrode bewirkt das zurückbleibende Loch den Eintritt eines neuen Elektrons in das Material über die negative Elektrode. Dieser Ladungswechsel erzeugt das Ausgangssignal. Es dürfte nun aber so sein, daß bei den bekannten Speicherschinnen zwar zwischen dem Photoleiter und dem Elektronenstrahl ein Ohmscher Kontakt besteht, daß aber die leitende Grundplatte und der Photoleiter keinen idealen Ohmschen Kontakt aufweisen. Im Photoleiter befinden sich Rekombinationszentren und die Austrittsarbeiten des Halbleiters und der leitenden Schicht sind nicht angepaßt. Wegen der Rekombinationszentren besitzen die freien Träger (hier Elektronen) eine geringere Lebensdauer, die von der in den Rekombinationszentren verbrachten Zeit abhängt. Dies führt unmittelbar zu einer Empfindlichkeitsverringerung, wie die nachstehende mathematische Beziehung ohne weiteres zeigt. Der Gewinn G des Photoleiters ist nämlich

R-U-V

wobei U die Trägerbeweglichkeit, V die angelegte Spannung, L den Elektrodenabstand und R die Lebensdauer der freien Elektronen bedeutet.

Eine weitere Verringerung des Gewinns ergibt sich aus dem Vorhandensein der Sperrschicht infolge der Fehlanpassung zwischen den Austrittsarbeiten des Halbleiters und des Leiters. Elektronen geringer Energie können nämlich diese Sperrschicht, die einige Elektronenvolt betragen kann, nicht durchdringen. Die Elektronen geringer Energie werden in den Halbleiter reflektiert und erleiden dort eine Rekombination.

Da die Einhaltung einer vorgeschriebenen Anzahl von Rekombinationszentren und die Anpassung der Austrittsarbeiten mit den bisher bekannten Mitteln nicht möglich ist, läßt sich nur die Sperre auf indirektem Wege erniedrigen, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erzielen. Durch die erfindungsgemäße Einfügung einer Isolierschicht zwischen dem Photoleiter und dem Leiter wird erreicht, daß der Hauptteil des Spannungsabfalls am Isolator auftritt. Die durch Photonenabsorption frei gemachten Elektronen wandern in Richtung zum Isolator und werden unter dem Einfluß des dort herrschenden starken Feldes so stark beschleunigt, daß sie die Sperre überwinden können. Dadurch wird die Rekombinationswahrscheinlichkeit verringert und so die Empfindlichkeit erhöht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schirm für Fernsehaufnahmeröhren vom Vidicontyp, bestehend aus einer photoleitenden Schicht, einer die Elektrode hierfür darstellenden lichtdurchlässigen Signalplatte und einer dünnen Isolierschicht zwischen photoleitender Schicht und Elektrode,dadurch gekennzeichnet,

   daß die Isolierschicht die beiden anderen Schichten vollständig trennt und eine Dicke von weniger als 100 Angström, vorzugsweise zwischen 50 und 100 Angstrom, aufweist und eine Bandlücke von mehr als 4 Elektronenvolt besitzt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 877782, 935 249; USA.-Patentschriften Nr. 2753 483, 2 843 774, 2 881340.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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