DE1049987B - - Google Patents

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DE1049987B DENDAT1049987D DE1049987DA DE1049987B DE 1049987 B DE1049987 B DE 1049987B DE NDAT1049987 D DENDAT1049987 D DE NDAT1049987D DE 1049987D A DE1049987D A DE 1049987DA DE 1049987 B DE1049987 B DE 1049987B
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Description

DEUTSCHE S
Der Strahlungsnaohweis mit Hilfe von Festkörpern geht von der Tatsache aus, daß energiereiche geladene Teilchen und auch elektromagnetische Strahlung hinreichend kleiner Wellenlängen (z. B. Licht) imstande sind, in Festkörpern Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Man registriert entweder die bei der Rekombination der Elektronen mit den Löchern oder mit angeregten' Zwischentermen emittierten Lichtquanten (Szintillationszähler), oder man mißt die durch di<e Erzeugung von. Elektronen, und Löchern hervorgerufene Leitfähigkeitsänderung des Festkörpers. Um im letzteren Falle einen merklichen Effekt zu erhalten, ist es notwendig, dem Festkörper einen hohen Dunioelwiderstand' zu geben, während die erzeugten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) eine möglichst, lange Lebensdauer und eine hohe Beweglichkeit habe» sollen. Diese Forderungen sind im allgemeinem nicht gleichzeitig zu erfüllen. So ist z. B. im Diamant, der heute als Kristallzähler verwendet wird, zwar der Widerstand sehr hoch, aber die Lebensdauer der" Elektron-Loch-Paare außerordentlich gering.
In den Halbleitern, wie z. B. Si und Ge, kommen extrem hohe Lebensdauerni (1000 μεεο und mehr) vor. Im homogenen Halbleitermaterial ist jedoch der spezifische Widerstand so gering, daß der Effekt der Widerstandsänderung kautn merklich ist. Man ist daher dazu übergegangen, die Paarerzeugung innerhalb oder im der Nähe der von beweglichen Ladungsträgern weitgehend entblößten Zone eines pn-Überganges erfolgen zu lassen. Es ist bereits bekannt, handelsübliche Flächentransistoren (Verstärkertransistorent) als Fototransistoren zu benutzen. Ferner ist es bekannt, magnetische Sperrschichten, bei denen ebenfalls eine Herabsetzung der Ladungsträgerkonzentration auftritt, zu verwenden.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung zum Nachweis elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung, ausgestattet mit mindestens zwei Kontakten, von denen wenigstens einer sperrschichtfrei ist, bei welcher ferner der auf die Strahlung ansprechende Bereich flächenhaft ausgedehnt ist und bei welcher die Spamnuing so groß gewähl t ist, daß der den Halbleiterkörper durchfließende Strom ein elektrisches Feld solcher Größe im Kristall bildet, daß die durch die Strahlung gebildeten Ladungsträger aus dem Kristaill gezogen werden. Erfindungsgemäß liegt die Spannung zwischen1 mindestens einem Kontakt mit Stromenigewiderstand und mindestens einem sperrfreien Kontakt.
Gegenüber dem anfangs üblichen pn-übergang hat der Kontakt mit Stromengewiderstand den Vorteil eines weiten Einzugsgebietes für die Ladungsträger. Mit dem durch dem Kontakt mit Stromengewiderstand in den Kristall 'einfließenden elektrischen Strom ernt-Halbleiteranordnung
zum Nachweis elektromagnetischer
und korpuskularer Strahlung
Anmelder:
Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71
Dr. phil. Helmut Salow1 Darmstadt, und Dipl.-Phys. Waldemar von Münch, Frankfurt/M., sind als Erfinder genannt worden
steht im Kristall ein elektrisches Feld, das die langlebenden Ladungsträger aus großer Entfernung zu den Kontakten führt. Beim pn^Übergang können nur solche Paare registriert werden, die innerhalb einer Diffusionslänige vom pn-übergang erzeugt werden (Größenordnung 10 bis 100μ), während das Einzugsgebiet eines Kontaktes mit Stromengewiderstand bei langlebenden Ladungsträgern auf Grund der Feldwifkung im die Größenordnung von Zentimetern kommt. Für den Fall, daß zum Strahlungsnachweis ein größeres empfindliches Kristallvolumen verlangt wird, als durch das Einzugsgebiet eines Kontaktes mit Stromengewiderstanid repräsentiert werden kann, empfiehlt es sich, mehrere Kontakte mit Stromengewiderstand ■auf den Kristallkörper in einem derartigen Abstand zu setzen, daß die Einzugsgebiete der einzelnen Kotakte sich gerade berühren oder sich schon etwas überdecken.
Der Kontakt mit Stromengewiderstand- erfaßt also eine große Zahl von primär im Kristall gebildeten Elektron-Loch-Paarem, gleichzeitig übt er noch eine zusätzliche stromverstärkendeWirkung auf den durch Strahlumg hervorgerufenen Trägerstrom aus. Die Anwesenheit vor» zusätzlichen Ladungsträgern setzt nämlich dent Widerstand im Stromengegebiet herab. Damit fließt aber aus der Spannungsquelle ein erhöhter Strom nach. Diese Art der Stromverstärkung kann nicht unbeträchtliche Werte annehmen.
Ein Kontakt mit Stromengewiderstand kann an einem Halbleiterkristall in verschiedener Weise realisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, daß ein Kristall auf einer Stelle bis zu einem engen Steg mit mechanischen oder chemischen Mitteln abgebaut wird-. Die Abb. la zeigt einen derartigen Kontakt mit
809 748/369
Strom-enge widerst and. Der Halbleiterkörper 1 weist eine Einschnürung 2 auf. An beiden Enden des Halbleiterkörpers sind sperrfreie Elektroden 3, 4 angebracht.
Eine andere Herstellunggmethode besteht darin, daß ein Stück der I1IaJbleiteroberiiache mit einer nichtleitenden Oberfläche versehen oder mit einer isolierenden Folie bedeckt wird und daß in dieser nichtleitenden Schicht ein kleines Doch vorhanden ist, das durch ein duktiles Metall ausgefüllt wird, welches mit der Halbleiteroberfläche einen Kontakt kleiner Dimension macht. Die Abb. 1 b enthält einen Halbleiterkörper 1, weicher mit einem Isolator 5 verbunden ist. Dieser Isolator 5 weist ein kleines. Xoch auf, welches durch das duktile Metall 6 ausgefüllt ist. Die Elektrode 3 ist wiederum sperrfrei ausgebildet.
Die einfachste Methode, einen Kontakt mit Stromengewiderstand zu erzeugen, besteht darin, einen pn>Legierungskontakt auf den Halbleiterkörper zu setzen und in dessen Mitte eine feine metallische Spitze einzusenken. Die bei dem Legierungsverfahren am pnübergang auskristallisierende p- (oder n-) Schicht wird von der metallischen Spitze durchstoßen, und es entsteht je nach dem Krümmungsradius der Metallspitze ein genau begrenztes Stromengegebiet, durch das der Strom im. den -Kristall eintreten kann, wenn der pn-übergang in Sperrichtung elektrisch vorgespannt wird. Eine solche Halbleiteranordniung ist in der Abb. Ic wiedergegeben. Der pn-übergang ist mit 7 bezeichnet, während die den pn-übergang durchstoßende Spitze das .Bezugszeichen 8 bat.
*' Der zuletzt besprochene Kontakt mit Stromengewiderstand bringt noch die In vielen Fällen erwünschte Eigentümlichkeit mit sichj-daß-seine Kennlinie 'spannungsabhängig ist. Da die Spitze und der pn-übergang im allgemeinen das gleicht Potential haben, wird mit zunehmender Spannung die·' Randverarmungsschiicht des pn-Uberganges größer; Damit nimmt auch der Widerstand des Stromengegebietes vor der Metallspitze zu. Es kann daher der Widerstand des Kontaktes :m'it Stromengewiderstarid leicht von 10 1<Ω bei sehr kleiner Spannung (10 Volt) bis zu 100 kQ bei sehr hoher Spannung (100 Volt) gesteigert werden.
·. Es besteht die Auf gäbe,., den durch die Bestrahlung hervorgerufenen Trägerstrom neben dem aus dem Kontakt mit Stromengewiderstanid fließenden Feldstrom nachzuweisen. Dies geschieht am einfachsten durch die Kompensation des Feldstromes mit Hilfe eines'zusätzlichen Transistors in einer Brückenschaltung und durch die weitere Verstärkung des von der Bestrahlung herrührenden ;Trägerstromes durch einen Gleichstromverstärker,. der vorzugsweise aus Halbleiterverstärkerelementen ,aufgebaut werden kann.
Die Trennung der beiden Stromanteile, des Feldstromes' und des von der. Bestrahlung herrührenden T rager stromes, kann auch f in folgender Weise durchgeführt werden. Die auf den-Kristall treffende Strahlung' wird periodisch unterbrochen, der Trägerstrom ist dann auch periodisch' moduliert und kann leicht durch einen Wechselstrorrfverstärker (vorzugsweise aus Transistoren aufgebaut.) vom konstanten Feldstrom getrennt werden. .-,;-*
Man kann nach der Erfindung eine noch weitere Steigerung der Empfindlickkeit der Kristailanordnung erzielen, wenn man zum-- Kontakt mit Stromengewiderstand und dem Basiskontakt noch einen weiteren pn-übergang am KristalL;hinzufügt. Dieser Kontakt soll als Emitter wirken .kfhhen, er wird zweckmäßig durch äußere Spannüngenriso eingestellt, daß er entweder kurz' vor der Emission von Ladungsträgern
steht oder bereits emittiert. Zeitliche Änderungen des FeIdstromes beeinflussen! das Potential vor dem Emitter und steuern damit dessen Emission. In dieser Art kann eine zusätzliche Stromverstärkung des durch die Bestrahlung hervorgerufenen Trägerstromes bewirkt werden. Die Abb. 2 zeigt einen Halbleiterkörper 3, der mit dem Kollektor 8, dem Emitter 9 und der ringförmigen Basis 10 versehen ist. Die Strahlung fällt dann beispielsweise in Richtung der Pfeile 11 auf den ίο Halbleiterkörper. Zweckmäßigerweise wird die Empfindlichkeit der Anordnung noch durch einen äußeren Widerstand verstärkt, der in der Basiszuleitung liegt und der etwa ebenso groß wie der Widerstand am Kontakt mit Stromengewiderstand ist.
is Eine beträchtliche Heraufsetzung der Ansprechempfindlichkeit der Kristallanordnung läßt sich mach der Erfindung in folgender Art erreichen. Man betrachtet einen Halbleiterkristall, der einen Kontakt mit Stromengewiderstand als Kollektor, einen sperrfreien Kontakt als Basis und einen pn-Kontakt als Emitter in einer transistorähnlichen Anordnung enthält. Wird die" Basiszone so dünn eingestellt, daß eine Rückwirkung des Stromflusses aus dem Kontakt mit Stromengewiderstand auf das Emitterpotential auftritt, so entsteht . in an sich 'bekannter. Weise ein instabiles Bauelement, das eine negative Eingangscharakteristik' .besitzt (vgl. H. SaLow und W.v.Münch, Z. f. angew. Physik, 8 [1956], S. 114 bis 119). Diese Anordnung ist nun zum Strahlungsnachweis in folgender Art geeignet. Das soeben be-■ schriebene Halbleiterbauelement wird mit Hilfe eines äußeren Arbeitswiderstandes und einer geeigneten Emittervorspannunig in die monostabile Kipplage an einer Stelle Ä in unmittelbarer Nähe des ersten Kniokpunktes A seiner Stromspannungscharaiiteristik . auf der Emitterseite gebracht (vgl. Abb. 3). In dieser Lage genügt ein außerordentlich geringfügiges Signal, um den monostabilen Kipp auszulösen. Im CZeZe-Diagramm wird dann der in Abb. 3 gestrichelt eingezeichnete Weg durchlaufen. Schon die relativ wenigen Elektron-Loch-Paare, die ein energiereiohes α-Teilchen oder eine kleine Anzaihl von α-Teilchen oder ein anderer Strahlungsprozeß im Einzugsgebiet des Kontaktes; mit Stromengewiderstand des Halbleiterkörpers freisetzen, können zur Kippauslösung ausreichen. Die auf der Kollektorseite durch den Kippvorgang umgesetzte Energie ist beträchtlich, sie kann zur Anzeige des Primärimpulses direkt (oder nach weiterer -.Verstärkung) benutzt werden. Damit ist ein Strahlungsnachweisgerät mit einem Verstärkungsfaktor gewonnen, wie er sonst nur in Gasentladungsröhren vorkommt. Wegen der dauernden Feldwirkung im Kristallinnern, die vom Stromengegebiet ausgeht, läuft der monostabile Kippvorgang sehr schnell ab. Das Halbleiterelement kehrt in kürzester Zeit wieder in seinen Wartezustand, der durch den Arbeitspunkt^i' gekennzeichnet ist, zurück und ist für weitere Strahlungsimpulse empfindlich. In manchen Fällen erfordert die Art der Anzeige oder der einzuleitende Prozeß einen Umsprung des Arbeitspunktes nach den Arbeitspunkten A" oder A'" nach Abb. 3. Im ersten Fall geht das Halbleiterelement aus dem stabilen Bereich in den instabilen Bereich seiner Charakteristik über, es beginnt zu schwingen. Im zweiten Fall geht es aus seinem gesperrten Zustand in den leitenden. Zus.tand über. In. beiden Fällen ist aber die Energieänderung, die im Kollektorkreis durch den Übergang'freigesetzt wird:, so groß, daß damit z. B. über einen weiteren Transistor (oder Schalttransistor) eine Rückführung des Halbleiterelementes über äußere Schaltmittel iri

Claims (14)

den strahlungsempfindllchen Arbeitspunkt Ä erzwungen werden kann. Um einen genau begrenzten strahlungsempfindlichen Bereich in dem Kris.tallzähler zu gewinnen, kann, man die Basiszone in der Nähe des Kontaktes mit Stromengewiderstand: für die Strahlung freilegen, indem man einen ringförmig ausgebildeten Emitter verwendet, dessen, freie Mittelzone dem Kontakt mit Stromengewiderstand gerade gegenüberliegt. Das von dem ringförmigen Emitter freigelassene Stück der Basiszone ist dann allein für die nachzuweisende Strahlung empfindlich. Bei der Anordnung nach Abb. 4 ist der auf dem ringförmigen Emitter 9 umgebene Teil freigelassen. Die Basis 10 ist an der Seite des Halbleiterkörpers 3 angeordnet. Die übrigen Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie in der Abb. 2. Um der Strahlung einen ungehinderten Zutritt in das Einzugsgebiet des Kontaktes mit Stromengewiderstand zu verschaffen, kann man den Emitter und (oder) dem Kollektor strahlungsdurchlässig ausbilden. Die hierzu notwendigen Mittel sind nach der zu registrierenden Strahlung in bekannter Weise auszuwählen. Für den Fall, d.aß durch die oben beschriebenen Kristallanordnungeni Neutronen nachgewiesen werden sollen, macht man zweckmäßig von einer Neutronenreaktion Gebrauch, bei der geladene Teilchen entstehem, z. B. B + η = Li + a 30 und weist die Wirkung der α-Strahlung im Kristall nach. Man kann; das Bor dazu direkt in den Kristall einbauen. Das bringt allerdings den Nachteil mit sich, daß der spezifische Widerstand des Kristallmaterials wegen der p-dotierenden Eigenschaften des Bors stark absinkt. Ebenfalls gehen die Lebensdauern der Elektroni-Loch-Paare im stark dotierten Kristallmaterial zurück. Es ist daher sinnvoller, die Neutronenreaktion an der Kristalloberfläche auszulösen, die vorher überall im strahlungsempfindlichen Bereich des Kristalls mit einer dünnen Borschicht belegt worden ist. Ebenisogut kann man das Bor oder ein anderes mit Neutronen reagierendes Element auch in die Kollektor- oder Emitterzone eventuell sogar als Dotierungsmaterial einbauen, Bei der Anwendung der oben angegebenen Halfbleiteranordnung zum Strahlungsnachweis ist gegebenenfalls zu berücksichtigen, daß auch eine Temperaturerhöhung sich in einer Erhöhung der Leitfähigkeit auswirkt. Damit das Potential vor dem Emitter 5<> erhalten bleibt, wird zweckmäßig der zwischen Kontakt mit Stromengewiderstand 8 und Emitter 3 liegende Widerstand so gewählt, daß er den gleichen Temperaturgang hat wie derjenige zwischen Emitter und dem Erdpunkt der Schaltung (s. Abb. 5 a). In der Grundschaltuiig wach Abb. 5 a sind mit 3,10 und 8 Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Die zugehörigen Widerstände weisen die Bezugszeicheri 13, 12 und 14 auf. Zur Erreichung des gleichen Temperaturganges kann gemäß Abb. 5 b der zur Schaltung notwendige Basiswiderstand in das Halbleiterelement selbst verlegt werden,, indem eine verhältnismäßig dünne Fahnenbasis 10 hergestellt wird. Es ist auch möglich, gemäß Abb. 5 c eine Kompensation durch äußere Widerstände 11 mit negativen Temperaturkoeffizienteni in der Basisleitung vorzusehen. Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnunig zum Nachweis elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung, ausgestattet mit mindestens zwei Kontakten, von denen wenigstens einer sperrschichtfrei ist, bei welcher ferner der auf die Strahlung ansprechende Bereich flächenh.aft ausgedehnt ist und bei welcher die Spannung so groß gewählt ist, daß der den Halbleiter durchfließende Strom ein elektrisches Feld solcher Größe im Kristall bildet, daß die durch die Strahlung gebildeten Ladungsträger aus dem Kristall gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen mindestens einem Kontakt mit Stromengewiderstand und mindestens einem sperrfreien Kontakt liegt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nebeneinanderliegende Kontakte mit Stromengewiderstand auf den Kristallkörper in einem· derartigen Abstand gesetzt sind, daß die Einzugsgebiete der einzelnen Kontakte sich gerade berühren oder sich bereits etwas überdecken.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromengewiderstand durch eine Einschnürung des~Querschnittes des Halbleiterkörpers mit sperrfreiem Kontakt gebildet wird.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromengewiderstand durch eine dünne isolierende Zwischenschicht an einer Stelle der Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet wird, die ein feines Loch enthält, durch das ein plastisches metallisch leitendes Material mit der Halbleiteroberfläche Kontakt bildet.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geikennzeichnet, daß der Stromengewid'erstand durch einen auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgesetzten pn-übergang vom Legierungstyp gebildet wird, in dem eine feine metallische Spitze eingesenkt ist und der in Sperrichtung gegen den Halbleiterkörper vorgespannt ist.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper neben dem Kontakt mit Stromengewiderstand und der sperrfreien Elektrode einen weiteren pn-übergang aufweist, der bei geeigneter Potentialsteuerung als Emitter wirken kann.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Emitter und Kontakt mit Stromengewiderstand im Halbleiterkörper so Idein ist, daß in an sich bekannter Weise ein Halbleiterelement mit zum Teil negativer Emittercharakteristik entsteht.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die FIalbleiteranordnung sich in der Arbeitsstellung (A') befindet und durch die Strahlung ein einmaliger Kippvorgang ausgelöst wird, der wieder zur Stellung (A') zurückführt (Abb. 3).
9. Verfahren, zum BetriebeinerAnordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzuweisende Strahlung periodisch unterbrochen wird.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und (oder) Kollektorelektrode strahlungsdurchlässig ausgebildet sind und (oder) daß der Emitter ringförmig geformt ist.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Basiszuleitung ein äußerer Widerstand liegt, der
von gleicher Größenordnung ist wie der Stromengewiderstand.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone vor der Strahlung geschützt ist und einen hohen Widerstand aufweist (Fahnenbasis).
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterzuleitung ein äußerer Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten liegt.
14. Halbleiteranordnung zum Nachweis von Neutronen nach Anspruch 1 oder folgenden, da-
durch gekennzeichnet, daß für den Fall des Neutronennachweises die strahlungsempfindlichen Oberflächen des Kristallkörpers mit einer dünnen Borschioht bedeckt sind und (oder) daß in die Emitter- und (oder) Kollektorzone Bor oder ein anderes Element, welches bei einer Reaktion mit Neutronen geladene Teilchen emittiert, eingebaut ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Fatentschrift Nr. 826 324;
Elektronik (1955), S. 189 bis 191.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 809 748/369 1.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1141386B (de) * 1961-04-26 1962-12-20 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1141386B (de) * 1961-04-26 1962-12-20 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

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