DE1129632B

DE1129632B - Lichtelektrische Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1129632B
Application number: DEL19201A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Reiner Thedieck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1954-06-28
Filing date: 1954-06-28
Publication date: 1962-05-17

Description

Lichtelektrische Halbleiteranordnung Es sind bereits mehrfach lichtelektrische Anordnungen mit Halbleiterkörpern beschrieben worden. Diese dienten entweder dazu, den elektrischen Widerstand der Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Lichtintensität dazu auzunutzen, um z. B. Steuervorgänge auszulösen, oder aber als sogenannte Photodioden und Phototransistoren Gleichströme in Abhängigkeit von der Lichtintensität zu steuern. Da nun die lichtelektrische Wirkung an den Stellen der Halbleiter besonders groß ist, an denen eine Sperrschicht vorliegt, war es bisher nicht möglich, Wechselströme von merklicher Höhe in Photodioden oder -transistoren zu steuern, während die einfache Widerstandsänderung im Halbleitermaterial zwar nicht polar gebunden ist, aber in ihrem Effekt verhältnismäßig schwach ist. Es war ferner bekannt, lichtelektrische Halbleiteranordnungen mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Sperrschichten von entgegengesetzter Sperrichtung durch Lichteinfall parallel zu diesen Schichten in ihrem Sperrvermögen zu beeinflussen.
Die Erfindung betrifft nun eine lichtelektrische Halbleiteranordnung mit Sperrschichten, die elektrisch in Reihe geschaltet und deren Sperrichtungen einander entgegensetzt sind, und mit Lichteinfall parallel zu diesen Schichten, und unterscheidet sich von den bisher bekannten dadurch, daß die Anordnung aus mehreren getrennten, hinsichtlich Größe und Grundmaterialgleichen Halbleiterkörpernbesteht, und daß die Halbleiterkörper durch Zwischenschichten aus einer Substanz verbunden sind, die infolge ihrer Zusammensetzung an den einander gegenüberliegenden Flächen der Halbleiterkörper je eine Sperrschicht erzeugt. Die Erfindung vereinigt die Möglichkeit, auch stärkere Wechselströme zu steuern, mit der Empfindlichkeit der sperrschichtbehafteten Systeme gegen Lichteinfall. Sie vereinigt also die Vorteile eines Photowiderstandes mit denen eines Phototransistors oder einer Photodiode. Gelingt es nun, durch eine geeignete Anordnung der Sperrschicht gemäß der Lehre der Erfindung die Symmetrie der Kennlinie derart auszubilden, daß sie annähernd ohmschen Charakter enthält, so ist die Steuerung von Gleich- und Wechselströmen nur noch durch den Querschnitt der Anordnung begrenzt.
Besonders bewährt haben sich dabei Körper mit einem Grundmaterial aus Germanium oder Silizium, die n-leitend sind und die mit Zwischenschichten aus Tndium miteinander verbunden sind. Es entsteht dann an den einander gegenüberliegenden Flächen p-leitendes Germanium oder Silizium, so daß an beiden Seiten je eine Sperrschicht vorhanden ist, deren Sperrichtungen einander entgegengesetzt sind. Aber auch andere ähnlich aufgebaute Systeme mit p-leitenden Halbleiterkörpern, die mit n-Leitung erzeugenden Zwischenschichten verbunden sind, haben sich als brauchbar erwiesen.
Besonders vorteilhaft sind solche Systeme mit z. B. n-leitendem Germanium oder Silizium, bei denen dem Indium eine Halbleitersubstanz und/oder eine oder mehrere Substanzen zugefügt sind, die den Schmelzpunkt der so gebildeten Legierung herabsetzen, ohne einen Einfluß auf den Leitfähigkeitscharakter des entstehenden Systems auszuüben. Die Halbleitersubstanzen dienen dabei dem Zweck, die p-leitenden Bereiche an den Germanium- oder Siliziumkörpern zu verstärken.
Die Anordnungen werden gemäß weiterer Erfindung so ausgebildet, daß die Ausdehnung der Halbleiterkörper in Richtung des Lichteinfalls und der angelegten Spannung um ein Mehrfaches kleiner ist als senkrecht zu diesen beiden, und daß der erforderliche Querschnitt lediglich durch eine Vergrößerung des Halbleiterkörpers senkrecht zu den genannten beiden Richtungen zustande kommt. Die äußeren Halbleiterkörper werden mit Vorteil auch an ihren Kontaktierungsstellen mit einer Sperrschicht versehen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, für die Zwischenschichten eine Substanz zu verwenden, die in der Lage ist, den Leitfähigkeitscharakter der angrenzenden Halbleiterkörper zu verändern. Wählt man die wirksame Komponente der Substanz der Zwischenschicht hinsichtlich ihrer Diffusionsgeschwindigkeit und/oder ihres Abscheidungskoeffizienten so aus, daß sie geeignet ist, in den beiden jeweils aneinandergrenzenden Halbleiterkörpern den Leitfähigkeitscharakter auch dann zu ändern, wenn die Halbleiterkörper alternierend unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakter aufweisen, so wird es belanglos, in welcher Reihenfolge die Leitfähigkeitscharaktere der einzelnen Halbleiterkörper aufeinanderfolgen.
Es hat sich bewährt, die Substanz der Zwischenschichten auf die aneinander,- grenzenden Flächen der Halbleiterkörper aufzubringen und diese aneinandergrenzenden Flächen aufeinanderzulegen und sodann die so entstandene Säule unter Ausübung eines mechanischen Druckes bis über den Schmelzpunkt der zwischengefügten Substanzen zu erhitzen. Dabei wird die überschüssige zwischengefügte Substanz, die lediglich den inneren Widerstand der Anordnung erhöhen würde, zwischen den Halbleiterkörpern herausgepreßt und somit eine weitere Verbesserung bzw. Materialersparnis herbeigeführt. Es ist von Vorteil, das System nach dem Wiedererstarren der Zwischenschichten einer Wärmebehandlung, beispielsweise einer Temperung und/oder einem Abschreckprozeß zu unterwerfen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß zunächst ein größerer Block von eng aneinandergrenzenden Halbleitern erzeugt wird und sodann in Richtung des vorgesehenen Stromes zerlegt wird.
Die Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich besonders zum Steuern von Gleich- oder Wechselströmen in Abhängigkeit von der Intensität und/oder der spektralen Verteilung des einfallenden Lichtes.
Versieht man die erfindungsgemäße Anordnung an den Halbleiterkörpern und/oder zwischen denselben mit sperrfreien Elektroden, so können Zwischenabgriffe vorgesehen werden und mehrere voneinander unabhängige Vorgänge über eine und dieselbe Anordnung mit nur einem Lichtstrahl gesteuert werden. Derartigen mit mehreren sperrfreien Elektroden versehenen Anordnungen kommt erhöhte Bedeutung zu, wenn sich das Leitvermögen der Halbleiterkörper längs der Anordnung gleichmäßig ändert. Es ist dann möglich, auf die Anordnung projizierte Spektren durch Messungen zwischen den einzelnen sperrfreien Elektroden hinsichtlich ihrer Intensität auf einfachstem Wege auszuwerten.
Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Lehre der Erfindung. In Fig.1 sind mehrere beispielsweise n-leitende Germaniumkörper 1 unter Zwischenfügung einer Substanz 2 miteinander verbunden, die beispielsweiseIndium enthält. Die Kontaktierungen3 und 4 an dem Ende der Säule sind ebenfalls mit Indium festgelegt. Während des Herstellungsprozesses werden die an das indiumhaltige Material angrenzenden Teile der Germaniumscheibchen 1 mit einer p-leitenden Schicht versehen, so daß jeweils an den Grenzen' zwischen 1 und 2 eine im wesentlichen gleichwertige Sperrschicht auftritt. Das gleiche gilt für die Kontaktierungsflächen 3 und 4. Es ist ersichtlich, daß dadurch das System eine Kennlinie enthält, die mindestens nahezu symmetrisch ist und bei besonders großer Gleichmäßigkeit für nicht zu hohe Spannungen sogar ohmschen Charakter annehmen kann. Um die Wirkung des Lichteinfalles, der senkrecht zur Papierebene erfolgen soll, möglichst kräftig zu gestalten und andererseits den inneren Widerstand des Systems nicht unnötig zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn der für den vorgesehenen Strom erforderliche Querschnitt durch Vergrößerung des Systems in der Papierebene, jedoch nur senkrecht zu der Richtung 3, 4 erfolgt. Dadurch wird zugleich die lichtempfindliche Fläche vergrößert. Fig. 2 zeigt eineAbwandlung dieses Systems derart, daß zwischen den Halbleiterscheiben 1 in dem Bereich des indiumhaltigen Materials 2 Elektroden 5 vorgesehen sind, die nach ihrer Materialbeschaffenheit auf den Leitfähigkeitscharakter und den Leitfähigkeitswert des Systems keinen Einfluß haben. Sie ermöglichen jedoch, den Spannungsabfall zwischen den einzelnen Abschnitten getrennt zu bestimmen. Setzt man ein solches System einem Spektrum aus, dessen roter Teil etwa links und dessen violetter Teil rechts an der Systemgrenze liegen, so können einzelne Spektrallinien bei genügend feiner Verteilung des Systems in ihren Werten lichtelektrisch bestimmt werden.
Durch Abgriffe zwischen den Elektroden 5 können selbst für einzelne Spektren direkt numerische Wert an Meßinstrumenten abgelesen werden. Man kann dieses Verfahren dadurch verfeinern und erweitern, daß man Halbleiterkörper unterschiedlicher Leitfähigkeit, gegebenenfalls auch unterschiedlicher Substanz verwendet, die für den jeweils auszumessenden Spektralbereich besonders hoch empfindlich sind. Die Länge der auswertbaren Spektren wird dadurch wesentlich vergrößert. Des weiteren besteht die Möglichkeit, Systeme nach Fig.2 zur Aussortierung von Rasterstatistiken u. dgl. zu verwenden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Lichtelektrische Halbleiteranordnung mit Sperrschichten, die elektrisch in Reihe geschaltet und deren Sperrichtungen einander entgegengesetzt sind, und mit Lichteinfall parallel zu diesen Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus mehreren getrennten, hinsichtlich Größe und Grundmaterial gleichen Halbleiterkörpern besteht, und daß die Halbleiterkörper durch Zwischenschichten aus einer Substanz verbunden sind, die infolge ihrer Zusammensetzung an den einander gegenüberliegenden Flächen der Halbleiterkörper je eine Sperrschicht erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium und die Zwischenschichten aus Indium bestehen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Indium eine Halbleitersubstanz und/oder eine oder mehrere Substanzen zugefügt sind, die den Schmelzpunkt der so gebildeten Legierung herabsetzen, ohne einen Einfluß auf den Leitfähigkeitscharakter des entstandenen Systems auszuüben.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Halbleiterkörper in Richtung des Lichteinfalls und der angelegten Spannung um ein Mehrfaches kleiner ist als senkrecht zu diesen beiden, und daß der erforderliche Querschnitt durch eine Vergrößerung der Halbleiterkörper senkrecht zu den genannten beiden Richtungen dargestellt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierang der äußeren Halbleiterkörper unter Bildung einer Sperrschicht erfolgt ist.
6. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden mit Halbleiterkörpern gleichen Leitfähigkeitscharakters, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten mindestens einen Stoff enthalten, der in der Lage ist, den Leitfähigkeitscharakter der angrenzenden Halbleiterkörper zu ändern.
7. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 5 oder einem derselben zur Anwendung auf Halbleiterkörper mit abwechselnd unterschiedlichem Leitfähigkeitscharakter, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz der Zwischenschichten hinsichtlich der Diffusionsgeschwindigkeit und/oder des Abscheidungskoeffizienten ihrer Komponente so ausgewählt ist, daß in den beiden aneinandergrenzenden Halbleiterkörpern unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters dieser geändert werden kann. B.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz der Zwischenschichten auf die aneinandergrenzenden Flächen der Halbleiterkörper aufgebracht wird, diese aneinandergrenzenden Flächen aufeinandergelegt werden und die so entstandene Säule unter Ausübung eines mechanischen Druckes bis über den Schmelzpunkt der zwischengefügten Substanz erhitzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das System nach dem Wiedererstarren der Zwischenschicht einer Wärmebehandlung, beispielsweise einer Temperung und/ oder einem Abschreckprozeß unterworfen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder einem der folgenden zur Herstellung von Anordnungen nach Anspruch 1 bis 5 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein größerer Block von eng aneinandergrenzenden Halbleiterkörpern erzeugt und sodann in Richtung des vorgesehenen Flußstromes zerlegt wird.
11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 oder einem derselben, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Steuern von Gleich- oder Wechselströmen in Abhängigkeit von der Intensität und/ oder der spektralen Verteilung des einfallenden Lichtes.
12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß an die Halbleiterkörper und/oder zwischen dieselben sperrfreie Elektroden angebracht oder eingelegt sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Leitvermögen der Halbleiterkörper längs der Anordnung gleichmäßig ändert.
14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Auswerten von Spektren. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 814 487, 891580; USA.-Patentschriften Nr. 2 428 537, 2 588 254, 2 669 635; »Proceedings of the I. R. E.«, Bd. 40, 1952, S.1512 und 1513.