DE1046795B

DE1046795B - Halbleiter-Photoelement, bei dem die Oberflaeche der Halbleiterschicht mit der Lichteinfallsrichtung einen von 90íÒ abweichenden Winkel bildet

Info

Publication number: DE1046795B
Application number: DEV8035A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Gerhard Schwabe
Original assignee: FREIBERGER PRAEZ SMECHANIK VEB
Current assignee: FREIBERGER PRAEZ SMECHANIK VEB
Priority date: 1954-11-10
Filing date: 1954-11-10
Publication date: 1958-12-18

Description

Halbleiter-Photoelement, bei dem die Oberfläche der Halbleiterschicht mit der Lichteinfallsrichtung einen von 90° abweichenden Winkel bildet Bei den bisher gebräuchlichen Halbleiter-Photozellen unterscheidet man die sogenannten Widerstandsphotozellen und die sogenannten Halbleiter-Photoelemente. Die Wirkungsweise der Widerstandsphotozellen beruht auf einer unter der Einwirkung des Lichtes hervorgerufenen Widerstandsänderung des Halbleiters, die beim Betrieb der Photozelle mit einer äußeren Spannungsquelle in eine entsprechende Änderung des Photozellenstromes umgesetzt wird. Demgegenüber entsteht bei den bisher bekannten Halbleiter-Photoelementen an der Grenzschicht zwischen dem Halbleiter und einer metallischen Deckelektrode unter der Einwirkung des Lichtes eine selbständige Photo-EMK. Beispiele hierfür sind die Selen-Sperr-Schichtzellen, die Thallium-Sulfidzellen und die Kupferoxydulzellen.
Es ist bekannt, daß auch ohne die Mitwirkung von Deckelektroden eine selbständige Photo-EMK durch den sogenannten Kristall-Photoeffekt entstehen kann, deren Größe und Vorzeichen von der Richtung des Lichtes abhängig ist. Hierbei treten innerhalb eines einzelnen Kristalls Elektronenverschiebungen auf, die als Verschiebungsstrom mittels Verstärker meßbar sind.
Die Erfindung richtet sich auf die technische Anwendung eines Oberflächeneffektes, der durch die Sauerstoffbeladung der Oberfläche einer Halbleiterschicht zustande kommt und der in den »Annalen der Physika, Bd. 17 (1956), S. 249 ff., insbesondere für den Fall von PbS-Schichten, eingehend beschrieben ist.
Es wurde festgestellt, daß auch an der Oberfläche von Halbleitern ohne die Mitwirkung von daran angebrachten Elektroden bei Belichtung eine technisch brauchbare Photo-EMK entstehen kann, deren Größe und Vorzeichen vom Einfallswinkel des Lichtes abhängig ist. Die Richtungsabhängigkeit der Photo-EMK wird bei diesem Effekt im wesentlichen durch die Rauhigkeit der Oberfläche und die dadurch bedingten Mikroflächen hervorgerufen. Die Photo-EMK in Abhängigkeit vom Einfallswinkel a befolgt annähernd ein (sin a ₧ cos a) -Gesetz, wonach das Maximum der Photo-EMK bei 45° liegen müßte. Durch statistische Schwankung der Oberflächenrauhigkeit und durch die Überlagerung einer Photo-EMK an mikrokristallinen p-n-Schichten ist aber das Maximum meist etwas verschoben.
Die Größe (Winkelempfindlichkeit) spielt für winkelvariable Vorgänge eine Rolle und ist in der Umgebung des senkrechten Lichteinfalles am größten.
Die Größe ist für Einfallswinkel von 45 bis 50° am größten.
Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird für die Herstellung einer Halbleiter-Photozelle mit selbständiger, technisch brauchbarer EMK die genannte Winkelabhängigkeit ausgenutzt.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Halbleiter-Photoelement, bei dem die Oberfläche der Halbleiterschicht so angeordnet ist, daß sie mit der Lichteinfallsrichtung einen von 90° abweichenden Winkel bildet, eine Halbleiterschicht mit vom Lichteinfallswinkel nach Größe und Vorzeichen abhängiger selbständiger EMK verwendet, deren Neigungswinkel gegen die Lichteinfallsrichtung entsprechend der maximal möglichen EMK bemessen ist. Auf diese Weise lassen sich empfindliche Photoelemente für das ultrarote und sichtbare Spektralgebiet herstellen, die größere Photospannungen liefern als die bisher bekannten, mit dem Sperrschichteffekt arbeitenden Photoelemente.
Eine praktische Ausführungsform der Erfindung kann z. B. darin bestehen, daß eine Halbleiterschicht auf einer oder mehreren zum Strahlengang des Barauffallenden Lichtes entsprechend geneigten Flächen eines Schichtträgers angebracht ist. Dabei können, wenn mehrere geneigte Flächen vorgesehen sind, diese entweder elektrisch parallel oder hintereinander geschaltet werden.
Die bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Photoelement auftretende EMK entsteht, wie Abb. 1 zeigt, in der Richtung, die durch den Schnitt der Einfallsebene der Lichtstrahlen L, L' mit der Oberfläche des Halbleiters gegeben ist. Diese EMK wechselt bei senkrechtem oder nahezu senkrechtem Lichteinfall das Vorzeichen und hat bis zu Winkelabweichungen a von 20 bis 30° beiderseits vom senkrechten Lichteinfall völlig antisymmetrischen, bei größerem Winkel a_ einen nahezu antisymmetrischen Verlauf. Bei Verwendung von annähernd parallelem Licht und unter Voraussetzung, daß bei allen Einfallswinkeln jeweils die ganze Halbleiterfläche ausgeleuchtet ist, ergibt sich beispielsweise eine in Abb. 2 dargestellte Abhängigkeit der Photo-EMK von der Winkelabweichung a.
In Abb. 3 ist ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Halbleiter-Photoelementes schematisch dargestellt. Hierin ist 1 eine als Träger dienende Platte, die beispielsweise aus Glas oder keramischem Material bestehen kann. Die Platte 1 ist mit sägezahnförmigen Rillen versehen. Die das Rillenprofil enthaltende Oberfläche der Platte trägt eine Halbleiterschicht 2, die z. B. aus PbS bestehen kann und durch eine entsprechende Temperaturbehandlung photoempfindlich gemacht ist. Die senkrechten Flanken 3 des Rillenprofils sind metallisch kurzgeschlossen. An den beiden Enden der Trägerplatte 1 sind zwei metallische Elektroden 4 und 5 angebracht. Bei Belichtung der Platte durch in Richtung der Pfeile auftreffendes Licht tritt an den Elektroden 4 und 5 eine EMK technisch brauchbarer Größenordnung auf. Der Neigungswinkel der schrägen Flächen des Rillenprofils ist so gewählt, daß sich eine maximale Empfindlichkeit des Photoelementes bei senkrechtem Auftreffen des Lichtes auf die Trägerplatte ergibt.
Der beschriebene Effekt kann dadurch noch vergrößert werden, daß die das Rillenprofil enthaltende Oberfläche vor dem Aufbringen der Halbleiterschicht aufgerauht wird. Bei - einer wirksamen Fläche der photoempfindlichen Halbleiterschicht von 2 ₧ 1 cm können beispielsweise Photospannungen von 1 V und dariiber erzielt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiter-Photoelement, bei dem die Oberfläche der Halbleiterschicht so angeordnet ist, daß sie mit der Lichteinfallsrichtung einen von 90° abweichenden Winkel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterschicht mit vom Lichteinfallswinkel nach Größe und Vorzeichen abhängiger selbständiger EMK verwendet wird, deren Neigungswinkel gegen die Lichteinfallsrichtung entsprechend der maximal möglichen EMK bemessen ist.
2. Halbleiter-Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht auf einer oder mehreren zum Strahlengang des auf sie einwirkenden Lichtes geneigten Flächen eines Trägers aufgebracht ist.
3. Halbleiter-Photoelement nach Anspruch 1 mit mehreren zum Strahlengang des Lichtes geneigten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen elektrisch parallel geschaltet sind.
4. Halbleiter-Photoelement nach Anspruch 1 mit mehreren zum Strahlengang geneigten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen elektrisch hintereinandergeschaltet sind. - In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 655 927, 737 089, 838 924; österreichische Patentschrift Nr. 134 943; USA.-Patentschriften Nr. 2 182 987, 2 320 185.