DE1214807B

DE1214807B - Halbleiterphotoelement

Info

Publication number: DE1214807B
Application number: DES88772A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-12-18
Filing date: 1963-12-18
Publication date: 1966-04-21
Also published as: US3408499A; NL6407238A; GB1073967A; DE1214807C2; FR1415135A; BE656104A; NL145683B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIl

Deutsche KL: 21g-29/10

Nummer: 1214 807

Aktenzeichen: S 88772 VIII c/21 g

Anmeldetag: 18. Dezember 1963

Auslegetag: 21. April 1966

Es ist schon versucht worden, auf der Grundlage des photoelektromagnetischen Effekts Strahlungsdetektoren aus homogenem lichtempfindlichem Material herzustellen. Solche Strahlungsmeßgeräte hatten zwar eine kurze Einstellzeit, aber eine so geringe Empfindlichkeit, daß eine technische Anwendung bisher kaum in Erwägung gezogen werden konnte.

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterphotoelement mit photoelektromagnetischem Effekt (PEM-Effekt). Sie besteht darin, daß der Halbleiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Richtung des darin durch den photoelektromagnetischen Effekt erzeugten Stromes ausgerichteten, elektrisch besser leitenden Bereichen versehen ist. Insbesondere handelt es sich dabei um elektrisch gutleitende Bereiche, die im wesentlichen parallel zum einfallenden Licht und senkrecht zur Richtung des durch den PEM-Effekt im Halbleiter erzeugten elektrischen Stromes ausgerichtet sind. Der Ausdruck »gutleitend« bezeichnet hierbei eine Leitfähigkeit, die ausgeprägt höher als die des umliegenden Halbleitermaterials ist, insbesondere auch die metallische Leitung.

Die inhomogene Struktur des Halbleiterkristalls kann z. B. darin bestehen, daß im Inneren des Halbleiters statistisch verteilte und im wesentlichen parallel zum einfallenden Licht ausgerichtete Einschlüsse einer zweiten elektrisch gutleitenden Phase vorhanden sind. Solche Einschlüsse, die insbesondere Nadel- oder Scheibenform haben können, sind an anderer Stelle in anderem Zusammenhang bereits vorgeschlagen worden.

Die genannte inhomogene Struktur kann aber auch dadurch erzeugt sein, daß auf den beiden senkrecht zum Magnetfeld gelegenen Oberflächen des Halbleiters kurzschließende Streifen angebracht sind, die senkrecht zur Richtung des durch den PEM-Effekt erzeugten elektrischen Stromes ausgerichtet sind. Diese Streifen können insbesondere aus Silber, Kupfer oder Indium bestehen.

Weiterhin ist es möglich, eine geeignete, inhomogene Struktur dadurch herzustellen, daß im Inneren des Halbleiterkristalls räumlich periodische Schwankungen von Störstellengebieten erzeugt werden, die vorzugsweise Flächenform besitzen, wobei diese Flächen zweckmäßig senkrecht zur Richtung des durch den PEM-Effekt erzeugten elektrischen Stromes stehen sollen. — Solche Dotierungsschwankungen entstehen z. B. oft ungewollt beim Ziehen von Kristallen aus dem Tiegel.

An Hand von einigen als Beispiel dienenden schematischen Figuren wird das Prinzip der Erfindung nun näher dargelegt. In allen drei Figuren bedeutet Halbleiterphotoelement

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Herbert Weiß, Nürnberg

B ein auf der Zeichenebene senkrecht stehendes Magnetfeld; 2 und 3 sind die Elektroden des bestrahlten Halbleiterkristalls 1; durch hv werden die auf den Kristall fallenden Lichtquanten dargestellt; mit M ist ein Gerät bezeichnet, das die dem PEM-Effekt entsprechende Spannung mißt.

Die Fig. 1 erläutert den PEM-Effekt. Ein homogener Kristall 1 mit zwei Elektroden 2 und 3 befindet sich in einem Magnetfeld B, das senkrecht zur

as Zeichenebene gerichtet ist. Nach der Zeichnung fallen von links Lichtquanten hv auf die Oberfläche des Kristalls. Entspricht die Breite der verbotenen Zone des Kristalls der Frequenz des einfallenden Lichtes, so werden die Lichtquanten in der Kristalloberfläche absorbiert und machen dort Elektron-Lochpaare frei. Infolge der Anhäufung der Ladungsträger an der Oberfläche entsteht ein Konzentrationsgefälle nach rechts, so daß Elektronen (—) und Löcher (+) in Richtung dieses Gefälles diffundieren.

Durch das Magnetfeld werden sie jedoch getrennt, wie es in der F i g. 1 schematisch gezeichnet ist. Zwischen den Elektroden 2 und 3, die auf diese Weise aufgeladen werden, kann mit dem Meßinstrument M eine Spannung gemessen werden; diese ist in einem dem Halbleitermaterial entsprechenden Frequenzbereich der Intensität der einfallenden Strahlung proportional. Sind die beiden Elektroden durch ein niederohmiges Amperemeter verbunden, so läßt sich ein Kurzschlußstrom messen.

Während der PEM-Effekt bisher nur an homogenen Kristallen bekannt war und auch nur an diesen für möglich gehalten wurde, weist der Halbleiter des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors eine inhomogene Struktur auf. Danach genügen für eine Erhöhung des PEM-Effekts schon räumliche Dotierungsschwankungen im Halbleiterkristall. Eine weitere Verbesserung der PEM-Empfindlichkeit er-

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fährt der Halbleiterkristall, wenn in ihm oder auf seiner Oberfläche räumlich abwechselnd besser und schlechter leitende Bereiche erzeugt werden. Diese Bereiche verschiedener elektrischer Leitfähigkeit sind nicht durch Grenzschichten wie pn-Ubergängen voneinander getrennt. Im Extremfall haben die besser leitenden Bereiche metallische Eigenschaften. Diese können kugelförmig, flächig oder streifen- bzw. nadeiförmig ausgebildet sein, wobei die höchste PEM-Empfindlichkeit mit den letzteren erzielt wird.

Beispielsweise sind in F i g. 2 in dem Halbleiter 1 elektrisch gut leitende, nicht zusammenhängende nadeiförmige Einschlüsse 4 gezeichnet, die parallel zum einfallenden Licht hv liegen. Der Widerstand zwischen den Elektroden 2 und 3 ist größer als ohne die Nadeln. Mit der höheren Spannung am MeßgerätM ergibt sich bei Anpassung also eine im selben Verhältnis höhere Leistung.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 schließen die Einschlußnadeln 5 den Halbleiter 1 zwischen den Elektroden 2 und 3 kurz. Die Empfindlichkeit dieser Anordnung ist also geringer als in Fig. 1.

Als Material für das Kristallhalbleiterbauelement des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors finden Halbleiter mit großer Elektronenbeweglichkeit, vorzugsweise größer als 6000 cmWsec, Verwendung. Das Halbleitermaterial kann z. B. eine A^mB^v-Verbindung oder ein Mischkristall aus A^mB^v-Verbindungen aus den Elementen der DI. und V. Nebengruppe des Periodensystems sein. Geeignete Halbleiter sind insbesondere Indiumantimonid (InSb) und Indiumarsenid (InAs). Die genannten gerichteten Einschlüsse in InSb können insbesondere aus Nickelantimonid (NiSb) bestehen.

In den nachstehenden beiden Tabellen sind Meßergebnise angegeben, die an zwei der F i g. 2 entsprechenden Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Photoelementen (ProbeI und Probell) gemessen wurden:

40

45

InSb-Kristall mit ausgerichteten nach Fig. 2	9	Probe I	Au =	Probe II	AU =
	29,2 -21,4	EWV]		U₀ [μΥΙ
B[KJ]	47,2 -40,5	1,1		0
0		0 0		-22,5 -11,3
5 -5		2,2 -2,2	-4,5 -9,0	NiSb-Nadeln
10 -10	0
	9 -33,8	--\U_L-U₀][^V]
B[kG]	29,2 -49,5	8
0	«25
5 £	«42
10 -10
	= \|i/_L-i7₀\|[p,V]
	0
«27,5
«37

55

60

65

In der ersten Spalte der Tabelle ist das auf den Halbleiter einwirkende Magnetfelds in kG angegeben. Zum Beispiel bedeutet B — +5 kG, daß das Magnetfeld bezüglich der gezeichneten Fig. 1 bis 3 senkrecht aus der Zeichenebene heraus auf den Beschauer gerichtet ist, und B — — 5 kG bedeutet, daß das Magnetfeld senkrecht auf die Zeichenebene gerichtet ist. In der zweiten Spalte der Tabellen wird die jeweilige Spannung U_L in μν angegeben, die bei Bestrahlung des Kristalls (im Magnetfeld B) am Meßgerät gemessen wurde. U₀ (in der dritten Spalte) ist die entsprechende Spannung am Meßgerät ohne Bestrahlung des Kristalls. In der vierten Spalte der Tabellen sind die gemittelten Beträge Δ U der Differenz

AU = I CZ_x,-Ε/ο I [μν]

zusammengestellt.

Für InSb mit NiSb-Nadeln in einer Anordnung, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, ergab sich innerhalb der Meßgenauigkeit überhaupt kein derartiger Effekt; d. h., es konnten bis zu Magnetfeldern von 10 kG, die mit Permanentmagneten noch erreichbar sind, keine definierten Spannungsdifferenzen Δ U gemessen werden.

Mit einem homogenen InSb-Kristall (entsprechend Fig. 1) wurde bei einem Magnetfeld von 10 kG eine Spannungsdifferenz Δ U von ungefähr 5 μν gemessen. Daraus ergibt sich, daß die Empfindlichkeit der auf der Grundlage des PEM-Effekts arbeitenden Photoelemente durch die Erfindung auf etwa das 8fache erhöht wird.

Der Frequenzbereich, in dem der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor Strahlung absorbiert und deren Intensität mißt, kann je nach Zusammensetzung und Auswahl der den bestrahlten Halbleiterkristall bildenden Elemente bzw. Verbindungen in weiten Grenzen variiert werden. Vorzugsweise ist ein Strahlungsdetektor aus InSb für das Ultrarotgebiet vom Sichtbaren bis etwa 8 μ Wellenlänge der zu messenden Strahlung geeignet.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterphotoelement mit photoelektromagnetischem Effekt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Richtung des darin durch den photoelektromagnetischen Effekt erzeugten Stromes ausgerichteten, elektrisch besser leitenden Bereichen versehen ist.

2. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche im wesentlichen parallel zum auffallenden Licht ausgerichtet sind.

3. Photoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche aus einer zweiten elektrisch gutleitenden Phase bestehen.

4. Photoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche nadeiförmig sind.

5. Photoelement naclrden Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche scheibenförmig sind.

6. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im Innern räumlich periodische Schwankungen von Störstellengebieten aufweist und daß die Störstellengebiete flächenförmig sind.

7. Photoelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf seinen senkrecht zur auffallenden Strahlung liegenden Ober-

flächen kurzschließende streifenförmige Bereiche angeordnet sind.

8. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine Elektronenbeweglichkeit größer als 6000 cm²/Vsec besitzt.

9. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine A^mB^v-Verbindung ist.

10. Photoelement nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Indiumantimonid besteht und daß darin ausgerichtete Einschlüsse aus Nickelantimonid vorhanden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
The Physical Review (1958), Bd. 112, S. 852 bis 855.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen