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Halbleitervorrichtung für Verstärker- oder Schalt zwecke
Es ist schon vorgeschlagen worden, für Verstärker oder Schaltzwecke eine Halbleitervorrichtung mit einem aus zwei Teilen aufgebauten Halbleiterkörper zu verwenden, bei dem im einen Teil des Körpers
Strahlung durch Rekombination von Ladungsträgern erzeugt wird, und dieser Teil z.
B. aus einer p-n Re- kombinationsstrahlungsquelle besteht, und bei dem im andern Teil, der optisch mit ersterem Teil gekoppelt ist und aus einem Halbleiter mit einer verbotenen Energiezone zwischenLeitungsband und Valenzband be- steht, die kleiner ist als das der Wellenlänge der im ersten Teil erzeugten Strahlung entsprechende Energie- quantum, die elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Intensität der aus dem ersten Teil zugeführ- ten Strahlung gesteuert wird.
Mit einer p-n Rekombinationsstrahlungsquelle wird hier auf übliche Weise ein
Halbleiterkörper mit wenigstens einem p-n Übergang gemeint, in dem die für die Strahlungsrekombination erforderlichen Ladungsträger durch Injektion von Minderheitstragern in der Umgebung des p-n Überganges beim Betrieb dieses Überganges in der Vorwärtsrichtung erhalten werden. Die Wellenlänge der erzeugten
Strahlung wird dabei durch den Wert des bei der Rekombination freiwerdenden Energiequantums bestimmt und diese Rekombination kann entweder durch einen direkten Übergang vom Leitungsband zum Valenzband oder durch einen Übergang über ein zwischen den Energiebändern liegendes Aktivatorniveau stattfinden.
Durch diese Kombination einer Rekombinationsstrahlungsquelle mit einem photoleitenden Teil wird eine Halbleitervorrichtung erhalten mit einem elektrischen Eingang, der durch die Zuführungselektroden der elektrischen Energie für die Strahlungsquelle im ersteren Teil gebildet wird, und mit einem elektrischen Ausgang, der durch die Elektroden auf dem andern, photoleitenden Teil gebildet wird. Es ist schon vorgeschlagen worden, diese zwei Teile zu einem Halbleiterkörper zu vereinigen, bei dem jedoch der zweite, photoleitende Teil eine verbotene Energiezone aufweist, die kleiner ist als die Quantenenergie der dieser Zone zugeführten Strahlungsquanten und demzufolge auch eine verbotene Energiezone kleiner als diejenige des einen Teiles, in dem die Strahlung durch Rekombination erzeugt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung eines solchen Typs, bestehend aus einer zu einer konstruktiven Einheit zusammengebauten, vorzugsweise zu einem Körper vereinigten Kombination von wenigstens einer den elektrischen Eingang der Vorrichtung bildenden p-n Rekombinationstrahlungsquelle mit wenigstens einem damit optisch gekoppelten und den elektrischen Ausgang der Vorrichtung bildenden photoleitenden Teil.
Uiehrfindung schafft jedoch eine neue und besonders geeignete Ausführungsform einer solchen Halbleitervorrichtung, die durch eine besondere und von der schon vorgeschlagenen Halbleitervorrichtung im wesentlichen verschiedene Wahl des Halbleitermaterials für den photoleitenden Körper inhärent viel günstigere elektrische Eigenschaften, wie einen höheren Verstärkungsfaktor bei einem günstigeren Energiewirkungsgrad, aufweist.
Bei einer Halbleitervorrichtung, bestehend aus einer zu einer konstruktiven Einheit zusammengebau- ten, vor ugsweise zu einem Körper vereinigten Kombination von wenigstens einer den elektrischen Eingang der Vorrichtung bildenden p-n Rekombinationsstrahlungsquelle mit wenigstens einem damit optisch gekoppelten und den elektrischen Ausgang der Vorrichtung bildenden photoleitenden Teil, besteht nach der Erfindung der photoleitende Teil aus einem Halbleiter, der eine verbotene Energiezone zwischen Lei-
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Rekombinationsstrahlungsquelle erzeugten Strahlungsquanten,Untersolchen wirksamen Energieniveaus werden hier Energieniveaus verstanden, die unter Einfluss der be- treffenden Strahlungsquanten, gegebenenfalls unter Mitwirkung der thermischen Energie des Kristallgitters, dem Leitungsband freie Elektronen liefern können oder Elektronen aus dem Valenzband aufnehmen können, wodurch in dem Valenzband freie Löcher gebildet werden. Zu diesem Zweck müssen diese wirksamen Ener- gieniveausnatürlich in einem genügend grossen Energieabstand von dem betreffenden Energieband liegen, so dass sie nicht schon allein durch die thermische Energie des Kristallgitter in einem den Widerstand bei
Abwesenheit von Strahlung auf störende Weise erhöhenden Mass freigemacht werden.
Anderseits werden solche wirksamen Energieniveaus in einem solchen Energieabstand von dem betreffenden Band liegen müssen, dass sie durch die betreffenden Strahlungsquanten, gegebenenfalls unter Anwendung von thermi- scher Energie, freigemacht werden können, d. h., dieser Energieabstand kann im allgemeinen höchstens gleich dem Wert des betreffenden Strahlungsquantums sein oder im Falle von Anwendung von thermischer Energie nur ein wenig, nämlich um einen dieser Energie entsprechenden Betrag, grösser sein. Die Dotierung von Halbleitern mit Störzentren durch Einbau von Gitterabweichungen, wie Verunreinigungen, ist eine in der Halbleitertechnik an sich bekannte Massnahme.
Zum Beispiel können wirksame Energieniveaus durch
Einbau von Donatorverunreinigungen, die in einem geeigneten Abstand vom Leitungsband mit Elektronen gefüllte Energieniveaus verursachen, oder durch Einbau von Akzeptorverunreinigungen, die in dem ge- eigneten Abstand vom Valenzband liegende unbesetzte Energieniveaus verursachen, erhalten. werden. Bei der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung wird demzufolge, im Gegensatz zur bekannten Halbleiter- vorrichtung, bei der ein Halbleiter mit einer kleineren verbotenen Energiezone als das Strahlungsquantum verwendet wird, gerade eine verbotene Energiezone, die ebenso gross oder grösser ist als das Strahlungs- quantum, verwendet.
Durch diese besondere Wahl nach der Erfindung ist bei der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung der günstige Umstand gegeben, dass ein Halbleiter mit einen höheren spezifischen
Widerstand verwendet wird, wodurch im photoleitenden Teil eine höhere elektrische Feldstärke gestattet werden kann, die einen höheren Verstärkungsfaktor des photoleitenden Teils und folglich der ganzen Vorrichtung ermöglicht. Weiter hat die Vorrichtung nach der Erfindung den Vorteil, dass die Absorption der Strahlungsquanten im photoleitenden Teil dieser Vorrichtung durch eine geeignete Wahl der Einbaustelle der hier wirksamen Energieniveaus auf zweckmässige Weise verteilt werden kann.
Bei der schon vorge- schlagenenHalbleitervorrichtungerfolgtdieAbsorption vorwiegend in einer unmittelbar an den einen Teil, wo die Strahlung erzeugt wird, grenzenden dünnen Schicht des photoleitenden Teils, welche Schicht häufig für Elektroden schwer zugänglich ist und demzufolge für die Photoleitfähigkeit in Zusammenhang mit der Stellung der Elektroden ungünstig ist. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist es mögliçh, die Absorption homogener zu verteilen oder sogar an der meist gewünschten Stelle zu lokalisieren, was der Ver- stärkungunddem Energiewirknngsgrad zugute kommt.
Vorzugsweise werden darum bei der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung die Störzentren im wesentlichen in jenem Teil des photoleitenden Teils eingebaut, der mit dem normalen bei Abwesenheit von Strahlung auftretenden Stromweg zwischen den Elektroden zusammenfällt.
Die obigen Vorteile treten in besonderem Masse hervor in den Fällen, in denen der Halbleiter des photoleitenden Teiles eine verbotene Energiezone aufweist, die grösser ist als der Energieinhalt des betreffenden Strahlungsquantums. Eine Verbesserung in dieser Hinsicht wird gegenüber der bekannten Halbleitervorrichtung auch schon erzielt, wenn die verbotene Energiezone und das Strahlungsquantum gleich gross sind. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind im Falle der Gleichheit von verbotener Energiezone und Strahlungsquantum vorzugsweise die p-n Rekombinationsstrahlungsquelle und der photoleitende Teil aus dem gleichen halbleitenden Material mit der gleichen verbotenen Energiezone aufgebaut und es sind diese Teile zu einem Halbleiterkörper vereinigt.
Diese Ausführungsform nach der Erfindung hat nämlich den weiteren Vorteil, dass zwischen den beiden Teilen kein Unterschied im Brechungsindex besteht, wodurch die Strahlung von dem einen Teil in den andern ohne irgendeine innere optische Reflexion übergehen kann. In andern Fällen jedoch, in denen die schon oben erwähnten Vorteile von besonderer Wichtigkeit sind, wird ein Halbleiter mit einer verbotenen Energiezone grösser als das Strahlungsquantum bevorzugt, um so mehr als es nicht erforderlich ist, die verbotene Energiezone viel grösser als das Strahlungsquantum zu wählen, da ja der spezifische Widerstand eines eigenleitenden Halbleiters exponential mit der Grösse der verbotenen Energiezone zunimmt, während der Brechungsindex der verschiedenen Halb- leiter dennoch verhältnismässig wenig verschieden ist.
Der Wert der verbotenen Energiezone für Germanium und Silizium beträgt z. B. etwa 0,72 eV bzw. 1, 12 eV und der spezifische Widerstand von eigenleitendem oder kompensiertem Germanium etwa 60 Q cm und von eigenleitendem oder kompensiertem Silizium ist der spezifische Widerstand schon höher als 1000 Q cm, während der Brechungsindex von Germanium und Silizium nur wenig voneinander verschieden sind, n. zw. 4,0 bzw. 3,45 betragen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Figur und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Figur ist eine Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung schematisch im Längsschnitt gezeigt. Die p-n Rekombinationsstrahlungsquelle 1 wird gebildet durch die p-Typ-Elektrode 3. welche aus einem Metallkontakt 3a und einer zugehörigen Halbleiterzone 3b vom p-Typ besteht, durch dien-Typ-Elektrode 4, die aus einem Metallkontakt 4a und einer zugehörigen Halbleiterzone 4b vom nTyp besteht und aus dem dazwischenliegenden hochohmigen, im wesentlichen eigenleitenden oder kom- pensierten Halbleiterkörper. Auchim photoleitenden Teil 2 sind einander gegenüber zwei ohmsche Elektroden angeordnet und mit 5 bzw. 6 bezeichnet. Der photoleitende Teil 2 besteht auch aus einem hochohmigen, im wesentlichen eigenleitenden oder kompensierten Halbleitermaterial.
Die beiden Glieder können im Falle von verschiedenen Halbleitern zu einem Körper kombiniert werden mittels an sich bekannter Techniken, wie Zusammenschmelzen, Aufdampfen in aufeinanderfolgenden Schichten und Übergang über Mischkristallbildung. Im Teil 1 wird an Elektrode 3 gegenüber Elektrode 4 eine positive Spannung angelegt, wodurch in dem zwischen diesen Elektroden liegenden halbleitenden Teil aus der p-Typ- Elektrode 3 Löcher und aus der n-Typ-Elektrode 4 Elektronen injiziert werden. Diese injizierten Minderheitsladungsträger rekombinieren im zwischenliegenden Halbleiterteil, wobei, abhängig von dem Rekombinationsverfahren, Strahlung einer bestimmten Wellenlänge erzeugt wird.
Wenn diese Rekombination durch unmittelbaren Übergang zwischen Leitungsband und Valenzband erfolgt, so wird der Wert der erzeugten Strahlungsquanten im wesentlichen gleich dem Wert der verbotenen Energiezone dieses halbleitenden Teiles sein. In vielen Fällen jedoch werden Strahlungszentren in diesen halbleitenden Teil eingebaut, die die Rekombination über eine in der verbotenen Energiezone liegendes Zwischenenergieniveau erfolgen lassen, wodurch die Energie innerhalb des Strahlungsquantums kleiner sein wird als die verbotene Energiezone, u. zw. gleich dem Wert des Rekombinationsüberganges. Der photoleitende Teil 2 besteht aus einem Halbleiter, der eine verbotene Energiezone zwischen Leituugs- und Valenzband aufweist, die eben- so gross oder grösser ist al. i die Quantenenergie der im Teil 1 erzeugten Strahlungsquanten.
Im photoleitenden Teil 2 sind, insbesondere in dem Stromweg zwischen den zwei Elektroden 5 und 6, Störzentren eingebaut, die für die betreffenden Strahlungsquanten wirksame Energieniveaus verursachen und durch welche unter Einfluss dieser Strahlungsquanten eine von der Strahlungsintensität abhängige Anzahl von freien Ladungsträgern in einem der Energiebänder freigemacht wird und auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 5 und 6 als Funktion der Strahlungsintensität beeinflusst werden kann. Die Strahlungsintensität ist mit der der p-n Rekombinationsstrahlungsquelle zugeführten elektrischen Energie regelbar.
Zur Erläuterung werden jetzt noch einige Beispiele ausführlich beschrieben.
DerHalbleiterteill der p-n Strahlungsquelle kann z. B. aus im wesentlichen eigenleitendem Germanium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 50 bis 60 ( ; 1 cm bestehen, wobei die Elektrode 3 durch eine aufgeschmolzene Indiumelektrode, der noch einige Prozent Gallium hinzugefügt sind, gebildet wird, und die Elektrode 4 wird durch eine aufgeschmolzene Blei-Antimon- oder Blei-Arsen-Elektrode gebildet.
Im Halbleiterteil l können dann beim Betrieb des p-n Überganges in der Vorwärtsrichtung Strahlungsquanten mit einem Energieinhalt von etwa 0,72 eV erzeugt werden. Der photoleitende Teil 2 kann dann z. B. aus Silizium bestehen, das eine verbotene Energiezone von etwa 1, 12 eV aufweist. Im normalen Stromweg zwischen den ohmschen Elektroden 5 und 6 ist im photoleitenden Teil 2 Zink in einer atomaren Konzentration von etwa 10-5 eingebaut. Die Verunreinigung Zink verursacht zwei Akzeptorniveaus in der verbotenen Energiezone von Silizium, von denen das eine Energieniveau dem einfachen negativen Ladungszustand des Akzeptors entspricht und auf 0, 31 eV über dem Valenzband liegt, und das andere Energieniveau dem zweifachen negativen Ladungszustand des Akzeptors entspricht und auf 0,55 eV über dem Valenzband liegt.
Für die gegebenen Strahlungsquanten von 0,72 eV können diese Zink-Akzeptorniveaus als für die Photo leitfähigkeit wirksame Zentren wirken, weil die betreffenden Quanten Elektronen aus dem Va- ! el1zband zu diesem Niveau übertragen können und dadurch Löcherleitfähigkeit in dem Valenzband er- möglichen. Abhängig von der Intensität werden diese Niveaus dabei erst einfach negativ und dann doppelt negativ geladen werden können.
Obwohl die oben erwähnte Aktivierungsmöglichkeit des photoleitenden Teiles geeignet ist, hat sie trotzdem den Nachteil, dass sie noch nicht völlig den maximal zu erzielenden Wert des spezifischen Widerstandes von Silizium benutzt, weil die wirksamen Energieniveaus hier noch nicht soweit wie möglich vom betreffenden Energieband liegen. Vorzugsweise wird man die wirksamen Energieniveaus derart wähLen, dass das Ferminiveau etwa in der Mitte der verbotenen Energiezone liegt.
Durch Hinzufügen eines lahe am Leitungsband liegenden Donatorniveaus kann man den Ladungszustand des Zinkniveaus derart re-
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geln, dass der spezifische Widerstand von Silizium sich im wesentlichen den maximalen Werten bei Ei- genleitung nähert, nämlich durch Hinzufügung vonso viel dieser Donatorniveaus, dass das Ferminiveau bei der Betriebstemperatur im wesentlichen in der Mitte des Bandes liegt.
Im vorliegenden Fall einer atoma- ren Konzentration von etwa 10-5 Zu bedeutet dies, dass durch Hinzufagung vondonatoren die Zinkakzeptorniveaus zu einem grossen Teil bis zu dem doppelt negativen Ladungszustand mit Elektronen besetzt werden müssen, d. h. dass also wegen der zwei Akzeptorniveaus, welche durch Zink hervorgerufen werden, fast zweimal soviel Donatoratome als Zinkatome hinzugefügt werden müssen, um das Ferminiveau bei Betriebstemperatur etwa in die Mitte der verbotenen Energiezone zu legen. So wird man z. B. eine atomare Konzentration von etwa 1, 9 X 10-5 an Phosphoratomen hinzufügen müssen.
In diesem Zustand können durch die gegebenen Strahlungsquanten Elektronen aus den doppelt negativ geladenen Zinkniveaus zu dem Leitungsband gebracht werden und diese Elektronen können dort freie. Elektronenleitung veranlassen. Ein Halbleiter, der mit einer Verunreinigung eines bestimmten Typs aktiviert ist und dem eine zweite Verunreinigung, ein sogenannter Koaktivator,'hinzugefugt wird, um den Halbleiter im wesentlichen möglichst hochohmig zu machen, wird üblicherweise ein kompensierter Halbleiter genannt. ImvorliegendenFall, in dem der Halbleiter ein aktivierter Photoleiter ist, wird in an sich bekannter Weise durch einen solchen Ausgleichsvorgang ein kompensierter aktivierter Photoleiter erhalten.
Nach einem weiteren Aspekt der Er- findung wird im photoleitenden Teil vorzugsweise ein Photoleiter verwendet, der In an sich bekannter Weise im wesentlichen kompensiert und aktiviert ist. Es wird übrigens wohl ohne weiteres deutlich sein, dass es ausser dem vorliegenden Fall, in dem ein tiefliegendes Akzeptorniveau durch ein nahe an dem Leitungsband liegendes Donatorniveau in den geeigneten Ladungszustand gebracht und kompensiert wird, auch möglich ist, einen kompensierten aktivierten Photoleiter zu verwenden, in dem ein tiefliegendes Donatorniveau durch ein nahe am Valenzband liegendes Akzeptorniveau in den geeigneten Ladungszustand gebracht und kompensiert wird.
Im obigen Beispiel wird im photoleitenden Teil ein Halbleiter mit einer verbotenen Energiezone verwendet, welche grösser war als die Quantenenergie der Strahlungsquanten. Jetzt wird noch ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung gegeben, bei der für die p-n Rekombinationsstrahlungsquelle und den photo- leitenden teil der gleiche Halbleiter mit der gleichen verbotenen Energiezone verwendet wird. Zu die- sem Zweck kann z.
B. der ganze Halbleiterkörper aus hochohmigem Silizium bestehen, wobei die eine Hälfte des Körpers als photoleitender Teil verwendet wird und aut gleiche Weise aktiviert sein kann wie im vorigen Beispiel erwähnt, während in der andern Hälfte des Körpers die p-n Rekombinationsstrahlungsquelle angeordnet ist, deren p-Typ-Elektrode z. B. durch Aufschmelzen von Aluminium und die n-TypElektrode z. B. durch Aufschmelzen einer Gold-Antimonlegierung erhalten werden kann.
Es wird noch bemerkt, dass die Erfindung selbstverständlich nicht auf die hier beispielsweise erwähnte Ausführungsform beschränkt ist. Es können z. B. auch andere Halbleiter verwendet werden und die Anordnung der Elektroden auf dem Körper kann auch abgeändert werden. Weiter ist es möglich, z. B. mehr als eine p-nStrahlungsquelle mit einem Photoleiter zu einer konstruktiven Einheit zu kombinieren, oder eine p-n Strahlungsquelle mit mehr als einem photoleitenden Teil, oder mehr als eine p-n-Strahlungsquelle mit mehr als einem photoleitenden Teil.
Da der Verstärkungsfaktor einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung beträchtlich grösser als 1 sein kann, kann damit durch Verwendung von elektrischer Rückkopplung eine regenerative Wirkung erhalten werden, durch welche es möglich ist, bistabile Elemente, Oszillatoren und Multivibratoren zu erhalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleitervorrichtung, bestehend aus einer zu einer konstruktiven Einheit zusammengebauten, vorzugsweise zu einem Körper vereinigten Kombination von wenigstens einer den elektrischen Eingang der Vorrichtung bildenden p-n Rekombinationsstrahlungsquelle mit wenigstens einem mit der Quelle optisch gekoppelten und den elektrischen Ausgang der Vorrichtung bildenden photoleitenden Teil, dadurch gekennzeichnet, dass der photoleitende Teil (2) aus einem Halbleiter besteht, der eine verbotene Energiezone zwischen Leitungsband und Valenzband aufweist, welche mindestens ebenso gross oder vorzugsweise grösser ist als dieQuanteneneigieder durch die p-n Rekombinationsstrahlungsquelle (l) erzeugten Strahlungsquanten, und der Störzentren aufweist,
welche in der verbotenen Energiezone für die betreffenden Strahlungsquanten wirksame Energieniveaus verursachen.