DE1179644B

DE1179644B - Verfahren und Vorrichtung zum Verstaerken, Erzeugen oder Modulieren elektrischer Schwingungen mit einem strahlenempfindlichen Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1179644B
Application number: DEN15247A
Authority: DE
Inventors: Gesinus Diemer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1957-06-26
Filing date: 1958-06-21
Publication date: 1964-10-15
Also published as: US3102959A; NL110573C; GB897731A; NL218462A; FR1197455A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Internat. Kl.: HOIl

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

N15247 VIH c / 21 g

21. Juni 1958

15. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verstärken, Erzeugen oder Modulieren elektrischer Spannungen mit einem strahlenempfindlichen Halbleiterbauelement mit einem festen Halbleiterkörper und bezweckt, Vakuumröhren oder Transistoren zu vermeiden.

Verstärker für elektrische Spannungen wurden bereits vorgeschlagen, die ein elektroleuchtendes Element enthalten, an dessen Elektroden die zu verstärkende Spannung wirksam ist, und weiterhin eine mit diesem Element optisch gekoppelte lichtempfindliche Vorrichtung enthalten, die gleichfalls mit Elektroden versehen ist, zwischen denen eine Spannungsquelle und eine Ausgangsimpedanz in Reihe angeschlossen sind.

Es wurde weiterhin ein Apparat vorgeschlagen, dessen elektrische Leistung den Elektroden einer Leuchtschicht zugeführt wird, die durch Bestrahlung mittels einer Strahlungsquelle zum Aufleuchten gebracht wird, wobei das aus dieser Schicht und zwei Elektroden bestehende Bauelement mit einem Bauelement kombiniert ist, das eine mit Elektroden versehene photoempfindliche Schicht enthält und mit einer Spannungsquelle und einer Belastungsimpedanz in Reihe liegt, in der Weise, daß die Leuchtstrahlung der ersteren Schicht die elektrische Impedanz der photoempfindlichen Schicht beeinflußt.

Die Erfindung benutzt ein photoleitendes Material, das die Erscheinung der sogenannten Feldlöschung aufweist, wie Zinkcadmiumsulfoselenid, welches mit einer geringen Silbermenge aktiviert ist, die eine vorzugsweise noch geringere Menge an Kobalt, Eisen oder Nickel enthält. Dieser Stoff hat beim Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung (V) zwischen zwei darauf angebrachten Elektroden eine nach der Spannungsachse gekrümmte nichtlineare und in bestimmten Fällen abfallende Stromspannungs-Kennlinie. Auch andere, geeignete aktivierte Chalkogenide (VI. Hauptgruppe des Periodischen Systems: O, S, Se, Te) weisen diese Erscheinung auf, die im übrigen nicht auf die Chalkogenide beschränkt ist.

Die Erscheinung kann auf folgende Weise erklärt werden:

Die bei Bestrahlung eines Materials, wie oben erwähnt, mit Licht einer bestimmten Wellenlänge entstehenden freien Ladungsträger (Elektronen und Löcher) werden, wie angenommen wird, ständig rekombiniert, und diese Rekombination wird bei Vorhandensein von Silber verzögert, so daß dann beim dynamischen Gleichgewicht zwischen Erregung und Rekombination eine größere Anzahl freier Ladungsträger vorhanden ist als der ohne Bestrahlung bei Verfahren und Vorrichtung zum Verstärken,
Erzeugen oder Modulieren elektrischer
Schwingungen mit einem strahlenempfindlichen
Halbleiterbauelement

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Gesinus Diemer,
Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 26. Juni 1957 (218 462)

der herrschenden Temperatur im Stoff bestehenden Gleichgewichts-Konzentration entspricht. Die Wirkung des Silbers besteht im Festhalten der bei der Erregung entstehenden positiven Ladungen, so daß die freien negativen Ladungen schwieriger mit den positiven Ladungen rekombinieren. Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes kann man aber die positiven Ladungen von den Silberzentren lösen, so daß sie sich durch den festen Stoff hindurchbewegen können. ;

Wenn in dem mit Silber aktivierten Zinkcadmiumsulfoselenid noch bestimmte weitere Elemente, wie Fe, Co oder Ni. (sogenannte Killers), in sehr geringer Konzentration vorhanden sind, so können beim Anlegen eines Feldes die freigekommenen positiven Ladungen in diesen Killerzentren schnell mit den negativen Ladungen rekombinieren, so daß die Konzentration freier Ladungsträger beträchtlich geringer wird, als es bei Abwesenheit des Feldes der Fall war.

Bei der Feldlöschung erhöht sich daher die Rekombinationsgeschwindigkeit der freien Ladungsträger, die in größeren Konzentrationen vorhanden waren als die der herrschenden Temperatur entsprechende thermische Gleichgewichtskonzentration, wenn das Feld im photoleitenden Material vergrößert

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und folglich die spezifische Leitfähigkeit herabgesetzt Zinkcadmiumsulfoselenid besteht und mehrere Kri-

wird. stalle dieses Stoffes enthalten kann. Angenommen

Die Erfindung besteht darin, daß für den Halb- wird, daß eine Lichtquelle vorhanden ist, welche das leiterkörper ein festes halbleitendes Material mit Bauelement derart bestrahlt, daß vorzugsweise über-Fremdstoffzusätzen, z. B. Zinkcadmiumsulfoselenid 5 all im Innern freie Ladungsträger ausgelöst werden, mit Zusätzen von Silber und weiterhin Kobalt, Eisen Der Halbleiterkörper ist mit zwei Eingangselektro- oder Nickel, verwendet wird, bei dem eine Herab- den 2 und 2' versehen, zwischen denen eine Signalsetzung der durch Bestrahlung erhöhten Konzentra- quelle 5 angeschlossen ist. Die Signalquelle kann die tion freier Ladungsträger durch ein elektrisches Feld, Überlagerung einer konstanten Gleichspannung F₁ die sogenannte Feldlöschung, auftritt, daß eine er- io und einer veränderlichen Signalspannung liefern, höhte Konzentration freier Ladungsträger, die von Die Elektroden ergeben ein vorzugsweise gleichförder der Betriebstemperatur entsprechenden Gleich- miges elektrisches Feld. Zwischen den Ausgangsgewichtskonzentration abweicht, in dem Halbleiter- elektroden 3 und 3' ist eine Reihenschaltung einer körper durch Bestrahlung mit Licht oder mit La- Vorspannungsquelle 4 und einer Ausgangsimpedungsträgern erreicht wird und daß zur Herab- 15 danz 6 angeschlossen. Zwischen den Elektroden 3 setzung der erhöhten Konzentration der Ladungs- und 3' entsteht ein Feld, daß schwächer ist als das träger ein sich änderndes elektrisches Feld durch An- von der Gleichspannung V₁ erzeugte Feld und legen einer Steuerspannung an am Halbleiterkörper dessen Kraftlinien im wesentlichen senkrecht zu angebrachte Elektroden in dem Innern des Halb- denen des von V₁ erzeugten Feldes stehen,
leiterkörpers erzeugt wird. 20 Es wurde festgestellt, daß der Zusammenhang

Die Erscheinung der Feldlöschung kann in ver- zwischen der Leitfähigkeit σ und der Feldstärke im

schiedener Weise erhalten werden. Sie ist in ge- Halbleitermaterial 1 durch eine Kurve nach der

wissem Umfang gegebenenfalls schon vorhanden, F i g. 2 wiedergegeben werden kann. Wenn die

ohne daß die sogenannten »Killers« hinzugefügt wer- Feldstärke einen bestimmten Wert überschreitet,

den. Aber in der Praxis wird sie dann selten hin- 35 nimmt infolge der obenerwähnten schnellen Rekom-

reichend stark sein. Neu und überraschend ist, daß bination durch die »Killers« die Anzahl freier La-

beim Anlegen eines elektrischen Feldes die Elektro- dungsträger derart ab, daß auch die Leitfähigkeit

nenkonzentration und dadurch auch die Leitfähig- beträchtlich geringer wird; innerhalb eines bestimm-

keit abnimmt. Diese Erscheinung ist wahrscheinlich ten Bereiches kann diese Abnahme mehr als linear

darauf zurückzuführen, daß das Feld die Löcher 30 mit der Zunahme der ganzen inneren Feldstärke

wieder frei macht, so daß Rekombinationen mit den sein. Bei der praktischen Anwendung wird die von

Elektronen wieder erleichtert werden. Diese Rekom- den Elektroden 2 und 2' erzeugte Feldstärke E_a

binationen werden durch die »Killers« erleichtert. vorzugsweise so groß gewählt, daß der Arbeits-

Der benutzte Effekt besteht in einer Änderung der punkt ungefähr bei P liegt.

elektrischen Leitfähigkeit, die zwar unmittelbar mit 35 In der F i g. 3 ist der Zusammenhang zwischen dem Variieren der Konzentration der freien La- der Stromdichte zwischen den Elektroden 3 und 3' dungsträger im Zusammenhang steht, aber im allge- und der bereits erwähnten Feldstärke E₀ wiedergemeinen nur indirekt mit den Trägern der Lumines- geben. Diese Kurve kann aus der Kurve nach der zenzstrahlung in Bezug zu setzen ist. F i g. 2 abgeleitet werden, da die Stromdichte das

Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die La- 40 Produkt der Feldstärke und der Leitfähigkeit ist. Es

dungsträger durch Bestrahlung mit einer künstlichen ergibt sich, daß der Teil zwischen Q und R abfällt;

äußeren Lichtquelle ausgelöst werden. Unter gewis- bei Einstellung auf diesen Teil ist die Vorrichtung

sen Verhältnissen kann mit Tageslicht bestrahlt somit zum Verstärken oder zum Erzeugen elek-

werden; auch kann für die Bestrahlung mit Ladungs- trischer Schwingungen geeignet. Da zwischen der

trägern in oder in der Nähe des halbleitenden Ma- 45 Stromstärke und der angelegten Spannung kein

terials ein radioaktiver Stoff verwendet werden. Es linearer Zusammenhang besteht, ist die Vorrichtung

ist weiterhin möglich, daß für die Bestrahlung mit außer zum Verstärken nicht zu großer Signale dazu

Ladungsträgern eine oder mehrere punktförmige in- geeignet, eine Spannung mit einer anderen Spannung

jizierende Elektroden verwendet werden, die aus in zu modulieren oder eine Spannung herzustellen,

der Durchlaßrichtung polarisierten gleichrichtenden 50 deren Frequenz gleich der Differenz oder der Sum-

Kontakten oder pn-Ubergängen bestehen können. me der Frequenz zweier anderer Spannungen ist.

Das Material kann mit zwei Elektroden versehen Die Fig. 4 und 4a zeigen die Anwendung der sein, mit denen ein Kreis verbunden ist, in dem die Erfindung bei einem Wellenleiter 7, in dem ein zu verstärkenden, zu modulierenden oder zu kubusförmiges Materialstück 8, wie oben erwähnt, mischenden Spannungen wirksam sind. Auch lassen 55 angebracht ist. Dadurch, daß mit Hilfe einer konsich zwei Elektrodenpaare und zwei Kreise für die stanten Gleichspannung V₁ ein elektrisches Feld Eingangs- und Ausgangsspannungen (Quadrupol) geeigneter Stärke in Richtung der elektrischen Kraftverwenden, wobei wie üblich zwei zu verschiedenen linien des Hochfrequenzfeldes erzeugt wird, tritt für Kreisen gehörige Elektroden miteinander vereint die Schwingungen dieses Hochfrequenzfeldes eine werden können (Dreipol). Für besondere Anwendun- 60 Entdämpfung auf, und die Welle wird verstärkt gen ist es auch möglich, mehr als zwei Kontaktpaare durchgelassen. Mit 9 ist ein Glättungskondensator vorzusehen. bezeichnet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung bei- Die F i g. 5 zeigt ein Verfahren zum Injizieren der

spielsweise näher erläutert. Ladungsträger in ein plattenförmiges Materialstück.

Die F i g. 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung £5 Auf einem Streifen 10 des erwähnten halbleitenden

zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfin- Materials befinden sich abwechselnd eine Reihe von

dung in einfacher Form, in der mit 1 ein kubus- ohmschen Kontakten 11, die mit dem Kreis 13 ver-

förmiges Bauelement bezeichnet ist, das z. B. aus bunden sind, der mit dem zu verstärkenden Signal

gespeist wird, und injizierenden Elektroden 12, die gegenüber den Kontakten 11 in solcher Weise polarisiert sind, daß eine Injizierung freier Ladungsträger auftritt.

Eine Erhöhung oder eine Herabsetzung der Temperatur gegenüber der normalen Zimmertemperatur führt häufig zu einer Verbesserung des Effektes.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken, Erzeugen oder Modulieren elektrischer Spannungen mit einem strahlenempfindlichen Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halbleiterkörper ein festes halbleitendes Material mit Fremdstoffzusätzen, z. B. Zinkcadmiumsulfoselenid mit Zusätzen von Silber und weiterhin Kobalt, Eisen oder Nickel, verwendet wird, bei dem eine Herabsetzung der durch Bestrahlung erhöhten Konzentration freier Ladungsträger durch ein elektrisches Feld, die sogenannte Feldlöschung, auftritt, daß eine erhöhte Konzentration freier Ladungsträger, die von der der Betriebstemperatur entsprechenden Gleichgewichtskonzentration abweicht, in dem Halbleiterkörper durch Bestrahlung mit Licht oder mit Ladungsträgern erreicht wird und daß zur Herabsetzung der erhöhten Konzentration der Ladungsträger ein sich änderndes elektrisches Feld durch Anlegen einer Steuerspannung an am Halbleiterkörper angebrachte Elektroden in dem Innern des Halbleiterkörpers erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestrahlung mit Ladungsträgern ein radioaktiver Stoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannung eine Gleichspannung überlagert wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestrahlung mit Ladungsträgern eine oder mehrere punktförmige injizierende Elektroden an dem Halbleiterkörper verwendet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektrodenpaare verwendet sind, in deren Schaltkreisen die zu modulierenden oder zu verstärkenden Spannungen wirksam sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Elektrode von jedem Elektrodenpaar miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kühloder Heizmittel vorgesehen sind, durch die der Halbleiterkörper auf eine von der Zimmertemperatur abweichende Temperatur gebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021099;
USA.-Patentschriften Nr. 2735 049, 2736 848, 863, 2 805 347.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 707/259 10.64 ® Bundesdruckerei Berlin