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Verfahren zur Messung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
eines Halbleiterkristalls Zusatz zum Patent 1013011 Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Messung der Rekombinationsgeschwindigkeit an der Oberfläche eines Halbleiterkristalls
nach Patent 1013 011, das ein Verfahren zum Gegenstand hat, nach welchem der Halbleiterkristall
scheibenförmig hergestellt und mit einer großflächigen Sperrschichtelektrode auf
einer Scheibenfläche sowie mit einer zweiten Elektrode versehen wird und nach welchem
die photoelektrische Empfindlichkeit dieser Anordnung mittels durch die großfläcbige
Sperrschichtelektrode oder/und durch die zweite Scheibenfläche einfallenden Lichtes
gemessen wird.
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Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger eines
Halbleiterkristalls ist besonders stark von der mechanischen Bearbeitung oder/und
chemischen Behandlung der Oberfläche dieses Halbleiterkristalls abhängig. Nach dem
Verfahren des Hauptpatentes ist es nun möglich, die Oberflächenrekomb inationsgesdwindigleit
an ein. und derselben Kristalloberfläche festzustellen, während hierzu nach bekannten
Verfahren eine Veränderung der zu messenden Oberfläche erforderlich ist.
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Bei den dem Verfahren zugrunde liegenden Untersuchungen wurde gefunden,
daß bisher als einheitlich angesehene Oberflächen von Halbleiterkristallen von Stelle
zu Stelle recht beträchtliche Unterschiede aufweisen. Die Gleichmäßigkeit der Rekombinationsgeschwindigkeit
an der Kristalloberfläche ist nicht nur an freien (unbedeckten) Oberflächen, z.
B. in der Nachbarschaft von Spitzenkontakten oder in solchen Zonen, in denen sogenannte
p-n-lDbergänge des Halbleiterkristalls an die Oberfläche treten, wichtig, sondern
auch an den Kristalloberflächen, welche durch Metallschichten kontaktiert werden.
Beispielsweise kommt der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit l)ei sperrschichtbildenden
Halbleitermetallkontakten besondere Bedeutung zu, da für das Verhalten bei Benutzung
von Hochfrequenz neben der Volumenrekomhination auch die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
von Einfluß ist. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit spielt aber außerdem
bei sperrschichtfreien oder angenähert sperrschichtfreien Halbleitermetallkontakten
eine Rolle.
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Gemäß der Erfindung wird zur Messung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
so verfahren, daß zu einer oder mehreren der Lichteinstrahlungen eine Lichtsonde,
die aus einem Lichtbündel mit einer im Vergleich zur Größe der zu messenden Kristalloberfläche
kleinen Querschnittsausdehnung besteht, verwendet wird.
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Zweckmäßig ist zur Ausführung der Erfindung die Verwendung eines
scheibenförmigen Halbleiterkristalls mit einer Scheibenfläche, deren kleinste Ausdehnung
bzw. deren Durchmesser größer, vorzugsweise eine
oder mehrere Größenordnungen größer
als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, vorzusehen.
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Weiterhin wird vorzugsweise ein scheibenförmiger Halbleiterkristall
verwendet, der eine Stärke kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger,
insbesondere klein gegen die Diffusionslänge, aufweist.
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Zur Feststellung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an
der Oberfläche eines Halbleiterkristalls wird dieser derart in eine scheibenförmige
Gestalt gebracht, daß die Oberfläche, deren Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
zu messen ist, eine Scheibenfläche des scheibenförmigen Halbleiterkristalls bildet.
Die andere Scheibenfläche, welche der zu messenden Scheibenfläche abgewandt ist,
wird zweckmäßig mit einer großflächigen Sperrschichtelektrode, insbesondere mit
einer lichtdurchlässigen großflächigen Sperrschichtelektrode, versehen. In günstiger
Weise kann diese Elektrode durch Aufdampfen, vorzugsweise durch Aufdampfen einer
Goldschicht hergestellt werden. Eine zweite Elektrode wird mindestens angenähert
sperrschichtfrei angebracht und zweckmäßig von dem bei irgendeiner Einstrahlung
beleuchteten Volumen in einer solchen Entfernung vorgesehen, die größer ist als
die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.
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Zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens eignet sich besonders
eine Lichtsonde mit kreisförmigem Querschnitt. Des weiteren kann für bestimmte Anwendungen
eine Lichtsonde verwendet werden, welche aus einem Lichtbündel mit rechteckigem
Querschnitt besteht. Vorteilhaft ist die Verwendung einer
Lichtsonde
mit einem kreisförmigen oder einem rechteckigen Querschnitt, dessen Durchmesser
bzw. dessen eine oder beide Seitenlängen auf der zu messenden Kristalloberfläche
kleiner, insbesondere ein Mehr faches oder vorzugsweise eine größere Ordnung kleiner
als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger vorgesehen wird. Besonders günstig
ist eine Anordnung, bei welcher äls Lichtsonde ein Lichtbündel veränderbaren Querschnitts
verwendet werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführung wird eine Anordnung zum Abtasten
der zu messenden Kristalloberfläche mit Hilfe einer Lichtsonde vorgesehen. Zweck
mäßig kann als Lichtsonde ein kegelförmig gebündelter Lichtstrahl verwendet werden,
dessen Kegelspitze auf der zu messenden Kristalloberfläche zu liegen kommt; insbesondere
kann die Bündelung mittels eines Mikroskopobjektivs vorgesehen werden. Es ist von
Vorteil, ein und dasselbe Mikroskopobjektiv zur Bildung des Lichtbündels und zur
visuellen Einstellung oder photographischen Abbildung der zu messenden Kristalloberfläche
zu verwenden.
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Zur Ermittlung der Ortsabhängigkeit der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
kann unter Verwendung einer Lichtsondenanordnung zum Abtasten der zu messenden Kristalloberfläche
vorteilhaft so verfahren werden, daß durch die zweite Scheibenfläche des scheibenförmigen
Halbleiterkristalls, also die Scheibenfläche, welche der mit der Sperrschichtelektrode
versehenen Scheibenfläche gegenüberliegt, Licht eingestrahlt und die lichtelektrische
Empfindlichkeit der Halbleiterkristall- und Elektrodenanordnung gemessen wird. Eine
zweckmäßige Ausführung der Erfindung wird erhalten, indem das Verhältnis der lichtelektrischen
Empfindlichkeit bei Einstrahlung an einer ersten Stelle der Kristalloberfläche zu
der lichtelektrischen Empfindlichkeit bei Einstrahlung an jeder von einer oder mehreren
weiteren Stellen der Kristalloberfläche gemessen wird.
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Bevorzugt wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die Lichtsonde Licht einer Wellenlänge oder insbesondere eines Wellenlängenbereiches
verwendet, dessen Eindringtiefe klein gegen die Scheibenstärke vorgesehen wird.
Hierzu kann zweckmäßig aus dem Licht einer kontinuierlichen Strahlung emittierenden
Strahlungsquelle mittels eines Spektralapparates, Filters od. dgl. ein Bereich ausgesondert
und zur Empfindlichkeitsmessung verwendet werden. Von besonderem Vorteil ist die
Verwendung eines verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereiches, dessen langwellige
Grenze von einer Wellenlänge kleiner Eindringtiefe gebildet wird.
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Weiterhin ist es günstig, zu den Messungen bzw.
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Bestimmungen der relativen lichtelektrischen Empfindlichkeit, nämlich
des Verhältnisses der Empfindlichkeit an einer Stelle der Kristalloberfläche zu
der Empfindlichkeit an anderen Stellen, Licht von gleicher Strahlungsleistung, gleicher
spektraler Intensitätsverteilung und ein und desselben WeIl enl ängnhnrei ds vorzusehen.
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Mit lichtelektrischer Empfindlichkeit wird das Verhältnis von Photostrom
zu dem auf die Kristalloberfläche auffallenden Lichtquantenstrom bezeichnet, während
unter photoelektrischer Empfindlichkeit das Verhältnis aus Photostrom und den in
den Halbleiterkristall einfallenden Lichtquantenstrom verstanden wird. Der Photostrom
fließt bei Lichteinstrahlung in dem aus großflächiger Sperrschichtelektrode, Halbleiterkristall
und zweiter Elektrode gebildeten Photostromkreis. Durch Messung der Strahlungsleistung
des auffallenden Lichtstromes mittels eines
Vakuumthermoelementes und durch Messung
der spektralen Intensitätsverteilung des benutzten Wellenlängenbereiches kann der
auffallende Lichtquantenstrom durch einfache Rechnung bestimmt werden.
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Unter den genannten Ausführungsbedingungen wird das Verhältnis der
lichtelektrischen Empfindlichkeit einfach durch das Verhältnis der jeweiligen Photoströme
erhalten.
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Die Eindringtiefe als Funktion der Wellenlänge der Einstrahlung ist
für Halbleiterwerkstoffe durch die Literatur bekannt oder kann für jeden Halbleiterstoff
durch einmalige Messung bestimmt werden. Aus dem Verlauf der Eindringtiefe bzw.
der Absorptionskonstanten ist für einen bestimmten Halbleiterwerkstoff ohne weiteres
ein Gebiet von geeigneten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zu ersehen. Daher
kann auf Grund der bekannten Wellenlängenabhängigkeit der Absorptionskonstanten
für jeden Halbleiter eine zweckmäßige Auswahl von Wellenlängenbereichen oder einzelnen
Wellenlängen zur Lichteinstrahlung vorgenommen werden.
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Nach dem vorliegenden Verfahren wird der Halbleiterkristall, dessen
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu messen ist, in eine scheibenförmige
Gestalt gebracht, deren Abmessungen zweckmäßig im Verhältnis zu der Diffusionslänge
der Minoritätsladungsträger angegeben sind. Ferner ist die Größe der Diffusionslänge
der Minoritätsladwlgsträger ein geeignetes Maß für die Ausdehnung des Lichtbündels
der Lichtsonde. Soweit die Diffusionslänge für ein Halbleitermaterial nicht aus
in der Literatur vorliegenden Angaben oder/und auf Grund der Herstellungsbedingungen
zu bestimmen ist, kann sie durch Messung erhalten werden. Für die Durchführung des
Verfahrens genügt auch die Kenntnis einer angenäherten Größe der Diffusionslänge.
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In besonders günstiger Weise kann nach dem vorliegenden Verfahren
die Oberflächenrekombinationsgeschwirldigkeit an Halbleiterkristallen aus Germanium
vorgenommen werden. Beispiele für weitere Halbleiterstoffe, deren Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
bestimmt werden kann, sind Silizium, halbleitende intermetallische Verbindungen
oder halbleitende Verbindungen aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen
Systems der Elemente.
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Weitere günstige Durchführungsmöglichkeiten ergeben sich aus den
Durchführungsbeispielen des Verfahrens nach dem Hauptpatent, indem einzelne oder
alle Lichteinstrahlungen unter Verwendung einer Lichtsonde vorgenommen werden.
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Für Kristalle mit planparallelen Scheibenflächen von hoher Einheitlichkeit
und ausgezeichneter Ebenheit kann die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von
Stelle zu Stelle der Kristalloberfläche etwa dadurch festgestellt werden, daß an
jeder Stelle die lichtelektrische Empfindlichkeit bei Einstrahlung durch die zweite
Scheibenfläche und bei Einstrahlung durch die großflächige und lichtdurchlässig
hergestellte Sperrschichtelektrode mit Licht kleiner Eindringtiefe und mittels eines
Lichtbündels kleinen Querschnittes mit Hilfe des jeweiligen Photostromes gemessen
und daß an einer oder mehreren dieser Stellen die lichtelektrische Empfindlichkeit
bei Einstrahlung durch die zweite Scheibenfläche und bei Einstrahlung durch die
großflächige und lichtdurchlässige Sperrschichtelektrode mit Licht großer Eindringtiefe
und mittels eines Lichtbündels großen Ouerschnittes mit Hilfe des jeweiligen Photostromes
gemessen wird.
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Die Messungen mit Licht großer Eindringtiefe werden vorteilhaft mit
einem Lichtstrom von gleicher Strahlungsleistung und gleicher Wellenlänge bzw. gleichem
Wellenlängenbereich vorgenommen. Außerdem können die Messungen mit Licht kleiner
Eindringtiefe zweckmäßig mit einem Lichtstrom von gleicher Strahlungsleistung und
gleicher Wellenlänge bzw. gleichem Wellenlängenbereich ausgeführt werden.
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Eine kleine Eindringtiefe ist eine Eindringtiefe, die klein gegen
die Stärke des scheibenförmigen Halbleiterkristalls ist. Die Stärke des scheibenförmigen
Halbleiterkristalls wird zweckmäßig klein gegen die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger
gewählt. Als klein bzw. groß wird ein Querschnitt des Lichtbündels dann bezeichnet,
weml dessen kleinste Ausdehnung bzw. dessen Durchmesser klein bzw. groß gegen die
Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger gewählt wird. Die Größe der kleinsten
Ausdehnung der Scheibenfläche des schei-I>enförmigen Halbleiterkristalls wird
groß gegen die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger vorgesehen.
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Nach dem vorliegenden Verfahren kann die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
einer Kristalloberfläche gemessen werden, welche mit einem lichtdurchlässigen Überzug
versehen ist. Die Scheibenfläche, deren Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
zu messen ist, kann beispielsweise mit einer lichtdurchlässigen sperrschichtbildenden
dünnen Goldschicht überzogen sein. Diese Scheibenfläche bildet eine der beiden Scheibenflächen
eines scheibenförmigen TTalbleiterkristalls, nämlich die zweite, in anderen Durchführungsbeispielen
auch unbedeckte oder freie Scheibenfläche. Die andere Scheibenfläche, welche der
zu messenden Scheibenfläche abgewandt ist, wird zweckmäßig mit einer großflächigen
Sperrschichtelektrode, insbesondere mit einer lichtdurclllässigen großflächigen
Sperrschichtelektrode, versehen. Eine zweite Elektrode zu der großflächigen Sperrscbichtelektrode
wird mindestens angenähert sperrschichtfrei angebracht und zweckmäßig von dem bei
irgendeiner Einstrahlung beleuchteten Volumen in einer solchen Entfernung vorgesehen,
die größer ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.
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Das Verfahren, bei dem der Halbleiterkristall scheibenförmig hergestellt
und mit einer großflächigen Sperrschichtelektrode auf einer Scheibenfläche sowie
mit einer zweiten Elektrode versehen wird und die photoelektrische Empfindlichkeit
dieser Anordnung mittels durch die großflächige Sperrschiclltelektrode oder/und
durch die zweite Scheibenfläche einfallenden Lichtes gemessen wird, kann eine besonders
vorteilhafte Weiterbildung dadurch erfahren, daß die zweite Scheibenfläche, also
die Scheibenfläche, deren Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu messen ist,
einen lichtdurchlässigen Überzug trägt. Diese Ausbildung ist von Vorteil sowohl
in der Ausführung nach dem vorliegenden Verfahren als auch unabhängig davon, ob
die Lichtquelle als Licht sonde angeordnet wird oder nicht.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht nun durch die l\Iessung mit einem
Lichtbündel von kleinem Querschnitt die Größe der örtlichen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
und durch die Messung mit einem l ichtbündel von großem Querschnitt eine über die
zu messende Oberfläche gemittelte Größe der Ol)erflächenrekombinationsgeschwindigkeit
festzustellen. Nach dieser Ausgestaltung des Meßverfahrens
können daher die verschiedenen
Verfahren zur Aufbringung von Überzügen auf ihre Beeinflussung der Kristalloberfläche
hin gemessen oder/und überwacht werden.
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An Hand der Zeichnung, welche in zum Teil schematischer Darstellung
ein Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
zeigt, wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.
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1 ist ein scheibenförmiger Halbleiterkristall, beispielsweise aus
n-leitendem Germanium, welcher mit einer großflächigen Sperrschichtelektrode 2 und
einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode 3 versehen ist. Die Stärke
der Germaniumscheibe 1 ist kleiner als die Diffusionslänge der Defektelektronen,
insbesondere klein gegen diese Diffusionslänge. Die sperrschichtfreie Elektrode
3 ist in einer Entfernung größer als die Diffusionslänge von jedem bei Einstrahlung
beleuchteten Volumen des Halbleiterkristalls 1 angebracht. Die Elektroden 2 und
3 sind iiber ein Instrument 4 elektrisch leitend verbunden; das Instrument 4 dient
der Anzeige des Photostromes.
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Das zur Einstrahlung gelangende Licht wird mittels einer optischen
Einrichtung5 erzeugt und fällt beispielsweise unter Verwendung eines Mikroskopobjektivs
6 und einer Blende 7 auf die zu messende Kristalloberfläche 8 mit einem Lichtbündel
kleinen Querschnittes. Von der optischen Einrichtung 5 wurden z. B. eine Strahlungsquelle
und optische Mittel, insbesondere ein Spektralapparat angedeutet. Der Durchmesser
des kreisförmigen Quer schnittes des Lichtbündels ist auf der zu messenden Kristalloberfläche
8 kleiner als die Diffusionslänge der D,efektelle.ktronen, vorzugsweise klein gegen
diese.
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Die optische Anordnung 5-7 kann zur Ermittlung der Ortsabhängigkeit
der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit parallel zur Scheibenfläche 8 beweglich
vorgesehen werden. Diese Beweglichkeit ist durch den neben die optische Einrichtung
5 gezeichneten Pfeil angedeutet.
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Aus der für Germanium bekannten Größenordnung der Diffusionslänge
der Defektelektronen, 10-1 cn, ist ohne weiteres ein Wert der Stärke der Halbleiterschicht,
z. B. 4 X 10-2 cm, anzugeben. Beispielsweise kann der Germaniumkristall 1 die Gestalt
einer Kreisscheibe aufweisen und der Durchmesser einer Kreisscheibenfläche angenähert
2 cm betragen. Der als Lichtsonde verwendete, insbesondere kegelförmig gebündelte
Lichtstrahl kann z. B. mit seiner Kegelspitze auf der Kristalloberfläche 8 derart
zu liegen kommen, daß dort ein kreisscheibenförmigel Querschnitt von einem Durchmesser
von etwa 10-2 cm erzeugt wird. Die großflächige Sperrschichtelektrode 2 kann durch
Aufdampfen einer Goldschicht auf die der Scheibenfläche 8 abgewandte Scheibenfläche
des Halbleiterkristalls 1 aufgebracht werden. Für das an Hand der Figur erläuterte
Beispiel kann vorgesehen werden, daß die großflächige Sperrschichtelektrode 2 nicht
als lichtdurchlässige Elektrode ausgeführt wird.
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Das Anordnungsbeispiel der Figur dient der Erläuterung eines Beispieles
des erfindungsgemäßen Verfahrens, nach welchem die Ortsabhängigkeit der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
der Kristalloberfläche 8 mittels Lichteinstrahlung durch eine I,ichtsonde5-7 auf
Grund der Messung des jeweiligen Photostromes ermittelt wird. Verwendet man nämlich
zu den Messungen der lichtelektrischen Empfindlichkeit einen Lichtstrom von gleicher
Strah-]ungsleistung und eines gleichen Wellenlängen-IJereiches, dann erhält man
die Größe der Oberílächenrekombinationsgeschwindigkeit sowohl aus
dem
Verhältnis der lichtelektrischen Empfindlichkeit der einzelnen Messungen als auch
- und zwar in günstigerer Weise - aus dem Verhältnis der Photoströme der einzelnen
Messungen.
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In dem ausgeführten Beispiel ist vorgesehen, mittels der Lichtsonde
5-7 Licht kleiner Eindringtiefe, d. h. also Licht einer Eindringtiefe, welche vorzugsweise
klein gegen die Scheibenstärke ist, einzustrahlen. Zum Beispiel kann mit einem verhältnismäßig
breiten Wellenlängenbereich eingestrahlt werden, dessen langwellige Grenze von einer
Wellenlänge der Größe 5 X 10- bis 10«cm und dessen kurzwellige Grenze beispielsrveise
angenähert durch die kurzwellige Grenze des sichtbaren Lichtes gebildet wird.
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Die derart zu erhaltende relative Größe der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit,
also die etwa auf eine bestimmte Stelle der Kristalloberfläche 8 bezogene Größe
der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit, folgt aus der Größe der gemessenen
Photoströme, und zwar daraus, daß eine große Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
einen kleinen Photostrom ergibt - unter sonst gleichen Bedingungen - und eine kleine
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit einen großen Photostrom.
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Die Ermittlung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit kann
in einer dem ausgeführten Beispiel praktisch gleichen Weise ausgeführt werden, wenn
die Kristalloberfläche 8 einen lichtdurchlässigen Überzug aufweist. Beispielsweise
kann ein solcher Überzug aus einer dünnen lichtdurchlässigen Goldschicht bestehen
und durch Aufdampfen auf die Kristalloberfläche8 des Germaniumkristalls 1 aufgebracht
werden. Mit dem Anbringen eines lichtdurchlässigen Überzuges kann außerdem die Bildung
einer Sperrschicht verbunden sein.
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Vorteilhaft kann der Halbleiterkristall 1, dessen Oberflächenrekombination
an der Scheibenfläche 8 bestimmt werden soll, intermittierend belichtet und die
lichtelektrischle Empfindlichkeit mittels Wechselstromverstärker gemessen werden.
Hierzu kann beispielsweise in den Lichtweg zwischen optischer Einrichtung 5 und
Scheibenfläche 8 eine rotierende Segmentscheibe eingefügt werden, die das Lichtbündel
in einzelne Impulse unterteilt. In den elektrischen Stromkreis kann nun ein Wechselstromverstärker,
insbesonderte mit einem Instrument 4 gelegt werden. Die Messung des Photostromes
kann nicht nur durch Ablesen eines Instrumentes, sondern auch mittels registrierendfer
oder auf Leuchtschirm aufzeichnender Geräte durchgeführt werden.