Brevet FR2134459A1 — publié le 19721208

.14514 2I3'4459 La présente invention concerne un dispositif multiplicateur d'électrons libres, constitué par une électrode discoïde dont la surface postérieure émet des électrons libres quand sa surface antérieure reçoit des électrons. 5 La multiplication d'électrons libres par un disque multiplicateur est déjà connue, sous forme par exemple de coûches d'émission secondaire par transmission et de plaquettes d'émission secondaire multicanal. Les multiplicateurs connus ne donnent toutefois pas encore entièrement satisfaction sur les points suivants : faible facteur de bruit, grande stabi-10 lité en service continu et bon comportement sous vide. L'énergie des électrons produits par les couches d'émission secondaire par transmission ou les plaquettes d'émission secondaire multicanal est en outre insuffisamment homogène pour permettre ensuite l'obtention sans difficulté d'une image électronique à l'aide d'une lentille électirbstatique. 15 L'invention a pour objet un dispositif multiplicateur d'électrons à grande résistance mécanique, résolution élevée, faible bruit, rendement élevé du faisceau électronique incident et bon comportement sous vide. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la surface 20 frontale présente de nombreuses parties semiconductrices, séparées par des éléments raidissant mécaniquement l'électrode, et la surface postérieure comporte au moins sur les parties semiconductrices une couche de revêtement qui permet la sortie des électrons à énergie thermique, produits dans la bande de conduction des parties semiconductrices. 25 Des électrons présentant une énergie suffisante et dirigés sur une face frontale du disque multiplicateur produisent dans ce dernier de nombreux électrons à énergie thermique. La face frontale du disque multiplicateur en regard, ne recevant pas d'électrons et munie d'une couche de recouvrement, réduit l'affinité électronique au point que les élec-30 trons produits dans la couche semiconductrice et pénétrant par diffusion dans la couche de revêtement quittent le disque multiplicateur et sont émis dans l'enceinte sous vide, sous forme d'électrons libres. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'épaisseur des parties semiconductrices de la couche est au moins égale à la profondeur 35 de pénétration des électrons incidents et au maximum égale à la longueur de diffusion d'électrons à énergie thermique dans ce matériau semiconducteur. Entre les diverses parties de la couche, l'épaisseur du disque 72 14514 2134459 multiplicateur d'électrons est augmentée par âes éléments irsiàigsêuTs, ■ de façon à assurer une résistance mécanique suffisante. Dans le cas de l'utilisation dans un tube amplificateur d'image, la taille des domaines de la couche multiplicateurs d'électrons est choisie de préférence de façon que la dimension linéaire maximale des domaines soit égale ou inférieure à la résolution limite déterminée par d'autres paramètres, tels que les aberrations d'optique électronique. La longueur dè diffusion des porteurs de charge à énergie thermique est de l'ordre du jim dans les matériaux semiconducteurs connus. L'épaisseur du matériau semiconducteur du disque multiplicateur doit, pour être efficace, ne pas dépasser la longueur de diffusion des porteurs de charge. Dans certains matériaux semiconducteurs, tels que le silicium, la longueur de diffusion est d'environ 10 y.m. Dans de nombreuses applications, telles que les tub.es amplificateurs d'image, il convient, pour obtenir une résolution aussi élevée que possible, que l'épaisseur du disque multiplicateur ne soit pas sensiblement supérieure à la profondeur de pénétration des électrons incidents, qui est généralement de l'ordre du y-ro. Afin d'obtenir un coefficient d'utilisation aussi élevé que possible du faisceau électronique incident, le rapport de la surface des parties multiplicatrices d'électrons à la surface antérieure totale du disque est de préférence choisi aussi grand que possible. Selon une autre caractéristique de l'invention, un coefficient d'utilisation particulièrement élevé est obtenu par un mode de réalisation spécial, dans lequel le faisceau électronique incident est dévié dés parties de la surface non multiplicatrices sur les parties multiplicatrices voisines par des moyens d'optique électronique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous de plusieurs exemples de réalisation préférentielle et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente, avec coupe partielle, un premier exemple de réalisation d'un disque multiplicateur d'électrons selon l'invention; la figure 2 représente un second exemple de réalisation; la figure 3 représente un troisième exemple de réalisation; la figure 4 représente un exemple d'application du disque multiplicateur selon l'invention à un tube amplificateur d'image; et la figure 5 représente un second exemple d'application du disque multiplicateur selon l'invention. 72 14514 2134459 Dans l'exemple de réalisation selon figure 1, le disque multiplicateur d'électrons est un disque semiconducteur 1, permettant de produire un nomre aussi élevé que possible d'électrons à énergie thermique, à l'aide d'électrons à énergie plus élevée. Le disque semiconducteur présente 5 des cavités 3, telles que des trous. La face frontale 2 du disque multi plicateur comportant les cavités reçoit le faisceau électronique à multiplier. Ces cavités ou trous sont produits par gravure par exemple, à l'aide de procédés photolithographique connus. Les cavités réduisent l'épaisseur des parties 4 de la surface du disque semiconducteur. L'épais-10 seur de ces parties 4 est choisie égale ou supérieure à la profondeur de pénétration des électrons incidents et inférieure ou égale à la longueur de diffusion des électrons à énergie thermique produits. On obtient ainsi de nombreuses parties 4 distinctes d'un matériau semiconducteur, dont l'épaisseur est au moins égale à la profondeur de pénétration des électrons 15 incidents et au plus égale à la longueur de diffusion des électrons à énergie thermique dans ce matériau. Les parties 5 de la surface du disque semiconducteur 1 ne comportant pas de cavitésont une épaisseur assurant une stabilité mécanique suffisante du disque multiplicateur. Il en résulte généralement que l'épaisseur 20 de la couche à ces endroits est supérieure à la profondeur de pénétration des électrons incidents et à la longueur de diffusion des électrons à énergie thermique produits. Le rapport de la surface des parties 4 multiplicatrices d'électrons à la surface totale du disque est élevé, afin de donner un facteur de multiplication aussi élevé que possible du faisceau 25 électronique incident, comme le montre la figure 1. Le disque semiconducteur présente de préférence une épaisseur renforcée sur les zones périphériques 7, par lesquelles il est fixé à l'aide d'une bague métallique 8 par exemple, qui sert simultanément d'électrode de connexion. La liaison entre la bague métallique 8 et le disque semi-30 conducteur 7 ou 1 peut s'effectuer par brasage ou, comme l'indique la figure 1, à l'aide d'une autre bague métallique 9, qui applique la partie plus épaisse 7 du disque semiconducteur contre la bague de fixation 8. Le disque est de préférence réalisé dans un matériau à conduction p élevée. Il est par exemple en GaAs dopé par du Zn ou en Si dopé par du B, 19 3 35 avec une concentration en porteurs de charge >10 /cm . Afin de réduire la reconibinaison des électrons thermalisés à la surface de la face frontale du disque semiconducteur comportant des cavités et d'augmenter ainsi le 72 14514 2134459 facteur de multiplication, la surface présente un dopage p supérieur à celui de la partie restante du disque, c'est-à-dire qu'elle est munie 4. d'une couche à dopage p . L'autre face frontale du disque, ne comportant pas de cavités, est munie d'une couche de recouvrement 6, qui réduit l'affinité électronique au point que les électrons produits à l'intérieur du disque semiconducteur sont émis dans l'espace sous vide avec une énergie thermique. La couche de recouvrement 6 est constituée par exemple par une ou plusieurs couches d'atomes d'un métal électro-positif, Cs par exemple. On prévoit de préférence une couche de recouvrement à conduction n élevée et surtout à faible affinité électronique, par exemple une couche de Cs ou SbCs^, d'une épaisseur de quelques Â. à 100 Â. Afin de rendre la sortie des électrons particulièrement efficace, il est également possible de réaliser la couche de recouvrement sous forme de plusieurs couches d'atomes, par exemple de couches semiconductrices superposées, à conduction n, intervallesentre bandes différents et affinité électronique différente mais faible. Sur la figure 2, les pièces identiques ou semblables portent les mêmes désignations que dans l'exemple de réalisation selon figure 1. , Dans ce second exemple de réalisation, le disque multiplicateur est constitué par un mince film semiconducteur 1, fixé sur une plaquette support 11, comprenant de nombreux trous 10, par collage, frittage, brasage, application mécanique, etc. Selon une autre caractéristique de l'invention, et afin de faciliter la production du mince disque semiconducteur 1 et la manipulation pendant la fixation sur la plaquette support 11, le film semiconducteur est d'abord produit avec une épaisseur plus importante et fixé sur la plaquette support 11, puis son épaisseur est réduite à la valeur prévue, par gravure par exemple. L'épaisseur du film semiconducteur est égale ou supérieure à la profondeur de pénétration des électrons rapides incidents et égale ou inférieure à la longueur de diffusion des électrons à énergie thermique, produits dans le matériau semiconducteur. La plaquette support 11 est réalisée de façon que le choix d'un matériau approprié, tel qu'un métal, nickel par exemple, ou un verre conducteur, et de valeurs appropriées du diamètre du trou, de l'entraxe et de l'épaisseur de la plaquette permet d'obtenir une grande résistance mécanique et une conductibilité électrique suffisante pour éviter une charge électrique par les électrons incidents. 72 14514 2134459 L'assemblage de la plaquette support 11 et du film semiconducteur 1 donne un disque multiplicateur à grande résistance mécanique et de nombreuses parties 4 de la surface d'un matériau semiconducteur, dont l'épaisseur ' est au moins égale à la profondeur de pénétration des électrons incidents et au plus égale à la longueur de diffusion des électrons à énergie thermique produits. Selon une autre caractéristique de l'invention, le film semiconducteur 1 est produit par dépôt épitaxique, selon le procédé de transport gazeux ou d'évaporation par exemple, sur la plaquette support 11 non encore perforée. Les trous 10 sont ensuite produits dans la plaquette support 11, par gravure par exemple à l'aide de procédés photolithographiques. La plaquette support 11 peut être constituée par un semiconducteur, tel qu'un autre semiconducteur à structure cristalline semblable ou identique ou un métal, molybdène par exemple. Sur la figure 3, les mêmes pièces portent les mêmes repères que sur les figures précédentes et une nouvelle description de leur fonctionnement et de leur réalisation est inutile. Ce troisième exemple de réalisation diffère de celui de la figure 1 en ce qu'une couche isolante 12, puis une couche conductrice 13 sont déposées aux endroits 5 du disque semiconducteur ne comportant pas de cavité. La couche isolante 10 peut être une couche d'oxyde par exemple, formée à partir du matériau du disque semiconducteur 1. En cas d'emploi de silicium comme matériau semiconducteur, la couche isolante est par exemple en SiÛ2. La couche conductrice peut être constituée par une couche de métal, Al ou Au par exemple, déposée par évaporation. La production des couches 12 et 13 peut s'effectuer par exemple comme suit : oxydation du matériau semiconducteur, évaporation de la couche métallique 13, production des cavités par gravure, à T.'aide de méthodes photolithographiques. Une tension négative par rapport à la couche semiconductrice 1 est appliquée à la couche 13. La valeur de la tension est choisie de façon à dévier le faisceau électronique incident des parties non multiplicatrices de la surface 13, 12 et 5 sur les parties multiplicatrices voisines 3. La couche conductrice 13 peut être supprimée le cas échéant dans un autre exemple de réalisation. Dans ce cas, les électrons incidents chargent négativement la surface libre de la couche isolante 12 et produisent ainsi un champ électrique qui dévie les électrons incidents ultérieurs vers les parties semiconductrices voisines 4. 72 14514 La figure 4 représente un exemple «Inapplication La photocathode 16 et la propriété de production d'une image électronique par la dynode produisent sur le disque multiplicateur 20 un faisceau électronique à haute énergie, dont la distribution d'intensité correspond au contenu de l'image introduite à l'entrée. Un faisceau électronique à énergie thermique est ainsi produit à la sortie du disque multiplicateur. L'intensité de ce faisceau, correspondant au contenu de l'image, est amplifiée plus de 1000 fois par rapport à celle du faisceau incident, à l'entrée du disque multiplicateur. La sortie de ce disque constitue la cathode d'une autre dynodé, formée par l'anode 21 et l'écran 18, et comportant une lentille électrostatique. Une tension positive par rapport au disque multiplicateur, de 15 kV par exemple, est appliquée à l'anode 21 et à l'écran 18, reliés électriquement. Il apparaît ainsi sur l'écran une image, amplifiée de plusieurs ordres de grandeur, de l'image électronique formée à l'entrée. La figure 5 représente un autre exemple d'application du disque multiplicateur selon l'invention. Il s'agit de l'amplification de la densité de courant du faisceau d'un oscilloscope cathodique. Un accroissement de la densité de courant du faisceau présente essentiellement l'avantage d'une plus grande luminance de l'écran. L'enveloppe sous vide 22 contient le canon à électrons 23 et le système déflecteur 24 usuels pour de tels tubes. La couche multiplicatrice 20 selon l'invention est disposée devant l'écran 18, à une distance faible et constante. Une tension positive par rapport à la cathode du canon à électrons est appliquée au disque multiplicateur 20. Une tension positive plus élevée est appliquée à l'écran. Le faisceau 72 14514 2134459 électronique à haute énergie, produit par le canon à électrons 23 et dévié par le système déflecteur 24, produit de nombreux électrons à énergie thermique au point d'impact sur le disque multiplicateur. Ces électrons sont émis à la sortie du disque multiplicateur. Il en résulte un accroissement 5 de la densité de courant du faisceau correspondant au facteur de multi plication. Les électrons émis sont accélérés par le champ électrique entre le disque multiplicateur et l'écran, se déplacent perpendiculairement au disque multiplicateur et à la surface de l'écran, puis atteignent ce dernier. Il s'agit d'une concentration de proximité, appelée "proximity 10 focusing" en anglais. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de 1'invention. 72 14514 8 2134459 Revendications 1. Dispositif multiplicateur d'électrons libres, constitué par une électrode discoïde dont la surface postérieure émet des électrons libres quand sa surface antérieure reçoit des électrons, ledit dispositif étant 5 caractérisé en ce que la surface antérieure comporte de nombreuses parties semiconductrices, séparées par des éléments de raidissement mécanique de l'électrode, et la surface postérieure comporte, au moins sur les parties semiconductrices, une couche de recouvrement qui permet la sortie des électrons à énergie thermique, produits dans la bande de conduction des 10 parties semiconductrices de la surface. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur des parties semiconductrices de la surface est au moins égale à la profondeur de pénétration des électrons incidents et au plus égale à la longueur de diffusion d'électrons à énergie thermique dans ce semiconducteur. 15 3. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé èn ce que les parties semiconductrices de la surface sont constituées par un matériau semiconducteur de type p, et notamment un matériau de typ p à dopage aussi élevé que possible. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caracté- 20 risé en ce que la couche de recouvrement est constituée par une ou plusieurs couches d'atomes d'un métal électropositif, tel que le césium. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de recouvrement est constituée par un matériau semiconducteur de type n, et notamment par un matériau à faible affinité 25 électronique. 6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de recouvrement est constituée par plusieurs couches d'atomes, et notamment par plusieurs couches semiconductrices superposées de type n, à intervalles entre bandes différents et à affinités 30 électroniques différentes. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par des moyens de production d'un champ électrostatique, qui interdit pratiquement l'impact des électrons incidents sur les éléments raidisseurs, par déviation sur les parties multiplicatrices voisines de la surface semi- 35 conductrice. 8. Dispositif selon revendication 7, caractérisé en ce que les faces frontales des éléments raidisseurs sont munies, notamment avec interposi 72 14514 213M.59 tion d'une couche isolante, d'une couche conductrice portée à un potentiel négatif par rapport aux parties semiconductrices de la surface. 9. Dispositif selon revendication 7, caractérisé en ce que les faces frontales des éléments raidisseurs sont munies d'une couche isolante, que les électrons incidents chargent négativement par rapport aux parties semiconductrices de la surface. 10. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'électrode discoïde est un disque semiconducteur dont la surface antérieure comporte de nombreuses ouvertures borgnes juxtaposées, dont les parois constituent les éléments raidisseurs et dont les fonds constituent les parties semiconductrices de la surface, multiplicatrices d'électrons. 11. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'électrode discoïde est constituée par un support réticulé ou perforé, dont une face est munie d'un mince film semiconducteur, les parties de la surface non recouvertes par les nervures du support constituant les parties semiconductrices multiplicatrices de la surface. 12. Dispositif selon revendication 11, caractérisé en ce que le film semiconducteur est d'abord déposé sur une plaquette support continue, par dép3t épitaxique notamment, puis des ouvertures sont usinées dans la plaquette support, jusqu'au film semiconducteur. 13. Tube électronique comportant un dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par une lentille électrostatique produisant une image sur une cible en aval de l'image des électrons à la sortie de l'électrode multiplicatrice. 14. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les faces des parties semiconductrices. de la surface en regard des électrons incidents sont munies d'une couche p+.