DE1174435B

DE1174435B - Lichtempfindlicher einkristalliner Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1174435B
Application number: DES60363A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Adolf Herlet
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-10-24
Filing date: 1958-10-24
Publication date: 1964-07-23
Also published as: DE1174435C2; CH375064A; GB910656A; NL244430A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Deutsche Kl.: 21g-29/10

Nummer: 1174435

Aktenzeichen: S 60363 VIII c /21g

Anmeldetag: 24. Oktober 1958

Auslegetag: 23. Juli 1964

Als steuerbare Halbleiterelemente werden unter anderem sogenannte Doppelbasisdioden benutzt. Damit wird eine Dreielektrodenanordnung an einem vorzugsweise einkristallinen Halbleiterkörper bezeichnet, der aus Silizium, Galliumarsenid, Aluminiumantimonid und anderen Halbleitermaterialien von geringerer spezifischer Eigenleitfähigkeit als Germanium bestehen kann. An den Enden eines solchen Halbleitergrundkörpers befinden sich zwei sperrfreie Elektroden und zwischen diesen eine Sperrschichtelektrode.

Die Zündung der Doppelbasisdiode kann bekanntlich durch vorübergehende Erhöhung der Spannung im Lastkreis über die Sperrspannung hinaus oder durch vorübergehende Verminderung der Spannung im Steuerkreis erfolgen. Die Zündung mittels Licht erschließt eine Reihe zusätzlicher Verwendungsmöglichkeiten. Während bei den bekannten lichtgesteuerten Elementen, z. B. Fototransistoren, die Ausgangsleistung im wesentlichen proportional mit der Lichteinstrahlung wächst, wird bei der Doppelbasisdiode nach Überschreiten einer gewissen Schwelle der Lichtstärke stets eine gleich hohe Ausgangsleistung zur Wirkung gebracht. Ein derartiges Schaltelement kann mit der Erfindung verbessert werden.

Demgemäß betrifft die Erfindung einen lichtempfindlichen einkristallinen Halbleiterkörper mit zwei sperrschichtfreien Elektroden und einer Sperrschichtelektrode. Die Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterkörper einen spezifischen Widerstand von mindestens etwa lOOOOhm-cm und mehr hat, und der Abstand der einen sperrschichtfreien Elektrode von der Sperrschichtelektrode nicht wesentlich größer als die doppelte Diffusionslänge der Ladungsträger ist. Ein derartiges Element ergibt verhältnismäßig große Durchgangsleistungen und kann bereits durch schwache Lichtstrahlen gezündet werden.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Doppelbasisdiode als einen p-s-n-Gleichriehter anzusehen, der eine der beiden sperrfreien Elektroden und die Sperrschichtelektrode umfaßt, und an diese beiden Elektroden einen Starkstromkreis als Lastkreis anzuschließen. Legt man nun an die beiden sperrfreien Elektroden eine geeignete Steuerspannung, so kann mit Hilfe dieses Steuerkreises der Einsatz der Durchlaßperiode gesteuert werden. Man erhält dann zwei stabile Betriebszustände,_ die in Analogie zu einem gesteuerten Entladungsgefäß mit »gezündet« bzw. »gelöscht« bezeichnet werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. 1 bis 5. In Fig. 1 ist eine Doppelbasisdiode Lichtempfindlicher einkristalliner
Halbleiterkörper

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Adolf Herlet, Pretzfeld (OFr.)

veranschaulicht, deren Grundkörper 4 schwach η-leitend angenommen ist. Den sperrfreien Elektroden 1 und 2 sind hochdotierte, η-leitende Gebiete 5 vorgelagert. Die Sperrschichtelektrode 3 wird von einem p-leitenden Gebiet gebildet, das über einen p-n-Übergang an den η-leitenden Teil des Grundkörpers grenzt. Der Abstand zwischen den beiden äußeren Elektroden 2 und 1 ist mit / bezeichnet. Z₁ und Z₂ bezeichnen die Teillängen bis zur Sperrschichtelektrode 3, die für diese grundsätzliche Betrachtung als unendlich schmal angenommen werden soll.

F i g. 2 zeigt die Anordnung einer solchen Doppelbasisdiode in einer Schaltung mit Steuer- und Lastkreis. An den beiden sperrfreien Elektroden 1 und 2 liegt der Steuerstromkreis mit der Steuerspannung U₁ einer Gleichspannungsquelle 7. Ist die Steuerspannung U₁ gleich Null, so hat man zwischen den Elektroden 1 und 3 einen reinen p-s-n-Gleichrichter, lediglich in einer etwas ungewohnten geometrischen Gestalt. Der Teil des schwach dotierten Strompfades zwischen den Elektroden 1 und 3 entspricht dabei der Mittelzone des Gleichrichters, die im Durchlaßzustand von den beiden hochdotierten Elektrodengebieten mit Stromträgern überschwemmt wird. Die betrachteten Elektroden 1 und 3 bilden die Arbeitselektroden der Doppelbasisdiode, an welche der Lastkreis angeschlossen wird. In diesem Lastkreis ist z. B. eine Gleichspannung U₂ einer Batterie 8 wirksam, die in Durchlaßrichtung des p-n-Uberganges gepolt ist. Ein Schalter 10, der durch eine zweite, vorzugsweise ebenfalls durch Licht gesteuerte Doppelbasisdiode betätigt werden kann, ist beispielsweise zum Löschen der Doppelbasisdiode vorgesehen. Der Strom im Steuerkreis ist mit I₁, der Laststrom mit /g bezeichnet.

409 637/305

In Fig. 3 ist der Verlauf der Spannung am Grundkörper im gelöschten und in F i g. 4 im gezündeten Zustand veranschaulicht. Ist die Doppelbasisdiode gelöscht, so fällt die Spannung IZ₁ linear zwischen den Elektroden 1 und 2 ab. Der Potential-

abfall U₁ · ~ bis zur Sperrschichtelektrode 3 sorgt

dafür, daß der p-n-Übergang in Sperrichtung gepolt ist, solange die Durchlaßspannung im Lastkreis

Z₁ ίο

V₁ < U₁ ■ ή-

bleibt. Das am p-n-Übergang liegende Potential Δ U (Fig. 3) ist der Durchlaßrichtung entgegengesetzt, und es fließt daher kein Strom im Lastkreis. Wird nun auf die Spannung U₂ im Lastkreis ein erhöhter Spannungsimpuls gegeben oder wird die Steuerspannung U₁ vorübergehend vermindert, so ist der p-n-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt, und infolgedessen wird der Bereich zwischen den Elektroden 1 und 3 mit Ladungsträgern überschwemmt. Dasselbe wird mit Hilfe der Erfindung erreicht, indem die Zahl der Ladungsträger dort durch äußere Lichteinstrahlung erhöht wird. Durch Versuche wurde bestätigt, daß die Doppelbasisdiode schon durch verhältnismäßig schwache Lichtimpulse gezündet werden kann. Da nach der Zündung die Leitfähigkeit des Halbleiters zwischen den Elektroden 1 und 3 entsprechend der Teillänge I₁ um ein Vielfaches heraufgesetzt ist, so liegt gemäß F i g. 4 die Spannung U₁ praktisch nur noch zwischen den Elektroden 3 und 2 entsprechend der Teillänge l_r Demnach bleibt der p-n-Ubergang in Durchlaßrichtung gepolt. Die Doppelbasisdiode bleibt gezündet, bis der Stromfluß im Lastkreis durch eine Schalthandlung unterbrochen wird.

Es wurde gefunden, daß bei dieser Art der Steuerung die Ausgangsleistung der Doppelbasisdiode mit Rücksicht auf die maximal zulässige Sperrspannung im wesentlichen durch den spezifischen Widerstand des Grundkörpers bestimmt wird und die Zündung durch Lichteinstrahlung um so mehr erleichtert wird, je höher der spezifische Widerstand des Grundkörpers ist.

Hat man im Lastkreis eine Wechselspannung, so gelangt die Doppelbasisdiode nach jeder Durchlaßhalbwelle beim natürlichen Stromnulldurchgang wieder in den gelöschten Zustand und muß dann immer wieder neu gezündet werden. Dies wird beispielsweise durch dauernde Lichteinstrahlung bewirkt. Ferner besteht die Möglichkeit, in jeder Halbwelle die Doppelbasisdiode durch eine synchron mit der Wechselspannung pulsierende Lichtquelle, z. B. eine Glimmanlage, zu zünden. Durch eine geeignete Einrichtung kann man die Phasenlage der Lichtpulsationen im Vergleich zur Wechselspannung ' des Lastkreises verschieben. Je nachdem, in welchem Zeitpunkt der Durchlaßhalbwelle jeweils die Doppelbasisdiode gezündet wird, erhält man verschieden hohe Mittelwerte des Arbeitsstromes. Der Verbraucherstrom kann somit stufenlos gesteuert * werden.

F i g. 5 zeigt eine Doppelbasisdiode in einer besonders vorteilhaften symmetrischen Anordnung. Sie besteht aus einer sperrfrei kontaktierten scheibenförmigen Gold-Antimon-Elektrode 1, einer ringförmigen Sperrschichtelektrode 3 aus einer GoId-Bor-Legierung und einer zweiten sperrfrei kontaktierten ringförmigen Gold-Antimon-Elektrode 2, die auf der gleichen Flachseite des Siliziumgrundkörpers 4 angeordnet, beispielsweise auflegiert, sind. Der Siliziumgrundkörper kann zweckmäßig mit einer dünnen Isolierfolie 5 auf einem gut wärmeleitenden Metallkörper 6 verkittet sein. Da die obenerwähnte Überschwemmung mit Stromträgern in ausreichendem Maß nur über kleine räumliche Entfernungen von der Größe einer Diffusionslänge möglich ist, darf die Mittelzonenbreite eines solchen p-s-n-Gleichrichters den doppelten Betrag der Diffusionslänge nicht nennenswert überschreiten. Infolgedessen beträgt der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 3 nur wenige zehntel Millimeter.

Obwohl die Doppelbasisdiode nach der Erfindung mit verhältnismäßig schwachen Lichtimpulsen zu zünden ist, vermag sie im Vergleich zu einem gewöhnlichen Fotoelement bedeutend höhere Leistungen abzugeben. Der Arbeitskreis kann mit den derzeitigen Mitteln bis zu 100 V ausgelegt und mit Strömen bis zu mehreren Ampere belastet werden. Damit ergibt sich der große Vorteil, daß eine besondere Vorverstärkerstufe entfällt.

Die Doppelbasisdiode nach der Erfindung kann also überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo eine Fotozelle mit Vorverstärker verwendet wurde. Besonders erwähnt seien als Beispiele für Arbeitskreise mit Gleichspannungsquelle Dämmerungsschalter, Werkzeugmaschinenantriebe und Lichtschranken.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtempfindlicher einkristalliner Halbleiterkörper mit zwei sperrschichtfreien Elektroden und einer Sperrschichtelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (4) einen spezifischen Widerstand von mindestens etwa 1000 Ohm-cm und mehr hat und der Abstand der einen sperrschichtfreien Elektrode (1) von der Sperrschichtelektrode (3) nicht wesentlich größer als die doppelte Diffusionslänge der Ladungsträger ist.

2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Elektroden (1, 2, 3) auf einer Flachseite des Halbleiterkörpers (4) angeordnet sind und daß die andere Seite des Halbleiterkörpers über eine elektrisch isolierende Schicht (5) mit einer Kühlplatte (6) verbunden ist.

3. Halbleiterkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 3) konzentrisch auf der einen Flachseite des Körpers so angeordnet sind, daß der Abstand der Sperrschichtelektrode (3) von der äußeren Elektrode (1) nicht wesentlich größer als zwei Diffusionslängen der Ladungsträger ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 041165; USA.-Patentschriften Nr. 2 702 838, 2 805 347.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 637/305 7. 64 ® Bundesdruckerei Berlin