DE1260042B - Vorrichtung zum Nachweis elektro-magnetischer Strahlung und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents
Vorrichtung zum Nachweis elektro-magnetischer Strahlung und Verfahren zu ihrem BetriebInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-29/10
Nummer: 1260 042
Aktenzeichen: N 27468 VIII c/21 g
Anmeldetag: 12. Oktober 1965
Auslegetag: 1. Februar 1968
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Hilfsstrahlungsquelle und einem strahlungsempfindlichen
Halbleiterkörper zum Nachweis elektro-magnetischer Strahlung, insbesondere für langwellige, wie
role und infrarote Strahlung und Verfahren zu ihrem Betrieb.
Der Halbleiterkörper kann bei einer solchen Vorrichtung als Photowiderstand dienen und mit zwei
Anschlußkontakten versehen sein, an die eine Spannung angelegt wird und die nachzuweisende
Strahlung mit Hilfe des von dieser Strahlung im Halbleiterkörper erzeugten Photostromes gemessen
wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Halbleiterkörper einen pn-übergang zu geben und die
nachzuweisende Strahlung auf die Umgebung dieses Überganges zu richten, so daß sie dort einen Photostrom
erzeugt, der in einer äußeren elektrischen Verbindung zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden
Teil des Halbleiterkörpers gemessen werden kann. Der pn-übergang kann dabei in Sperrichtung
vorgespannt sein.
Der von der nachzuweisenden Strahlung erzeugte Photostrom kann dadurch entstehen, daß die Strahlung
im Halbleiterkörper freie Ladungsträger, Elektronen und/oder Löcher erzeugt.
Dies kann dadurch geschehen, daß im Halbleiterkörper Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband
gebracht werden. Dabei muß die Breite des verbotenen Bandes im Halbleiterkörper gleich
oder kleiner als die Quantenenergie der nachzuweisenden Strahlung sein. Zum Nachweis langwelliger
Strahlung, z. B. infraroter oder roter Strahlung, mit einer kleinen Quantenenergie muß der Halbleiterkörper
also ein verbotenes Band geringer Breite haben, was bedeutet, daß der Dunkelstrom verhältnismäßig
groß ist und die Empfindlichkeit der Vorrichtung verringert wird.
Diese Nachteile, die sich bei der Verwendung eines Halbleiterkörpers mit einer geringen Breite des verbotenen
Bandes durch den erhöhten Dunkelstrom ergeben, können dadurch vermieden oder verringert
werden, daß ein Halbleiterkörper mit einer Breite des verbotenen Bandes verwendet wird, die größer ist als
der Quantenenergie der nachzuweisenden Strahlung entspricht und durch Einbau eines Dotierungsstoffes
ein tief im verbotenen Band liegender Energiepegel erzeugt wird. Dann können Elektronen in zwei Stufen
über den im verbotenen Band liegenden Energiepegel aus dem Valenzband in das Leitungsband gebracht
werden, und die Breite des verbotenen Bandes kann folglich zwischen dem einfachen und dem
Vorrichtung zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung
und Verfahren zu ihrem Betrieb
und Verfahren zu ihrem Betrieb
Anmelder:
N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)
Vertreter:
Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
2000 Hamburg, Mönckebergstr. 7
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Hermann Georg Grimmeiss,
Dipl.-Chem. Dr. Heinz Werner Scholz,
5100 Aachen
Dipl.-Chem. Dr. Heinz Werner Scholz,
5100 Aachen
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 15. Oktober 1964 (6411 983)
doppelten Wert der Quantenenergie der nachzuweisenden Strahlung liegen.
Dabei ergibt sich aber der Nachteil, daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung dadurch verringert wird,
daß für jedes zu erzeugende Elektronen-Löcher-Paar zwei Strahlungsquanten der nachzuweisenden
Strahlung erforderlich sind, nämlich ein Strahlungsquant für jede der beiden Stufen. Außerdem ist das
Erzeugen von Elektronen-Löcher-Paaren über einen Zwischenpegel, insbesondere beim Nachweis monochromatischer
Strahlung, recht unwirtschaftlich, da normalerweise beide Übergangsstufen von verschiedener
Größe sind und die nachzuweisende Strahlung dann nur einer der Übergangsstufen gut angepaßt
sein kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Nachweis elektro-magnetischer
Strahlung, insbesondere langwelliger, wie roter und infraroter Strahlung zu schaffen, die die genannten
Nachteile der bekannten Vorrichtung nicht oder nur in geringerem Maß aufweist und die eine besonders
hohe Empfindlichkeit besitzt.
' Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, daß durch den Einbau von freie Elektronen einfangende Störstellen und freie Löcher einfan-
' Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, daß durch den Einbau von freie Elektronen einfangende Störstellen und freie Löcher einfan-
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gende Störstellen (oft als »Killer« bezeichnet) in den oder etwas unter dem Löcher einfangenden, bereits
Halbleiterkörper ein von freie Elektronen und Lö- teilweise mit Löchern besetzten Energiepegel liegen,
eher erzeugender Strahlung in dem Halbleiterkörper Optimale Ergebnisse, unter anderem ein sehr steiler
erzeugter Photostrom bei zunehmender Intensität Verlauf des Photostromes im Verhältnis zur Intensi-
dieser Strahlung plötzlich steil, d. h. in stärker als 5 tat der Hilfsstrahlung, werden erreicht, wenn der
linearem Verhältnis zur Intensität dieser Strahlung Fermipegel zwischen dem Elektronen einfangenden
zunehmen kann und daß bei Einstellung dieser Strah- Energiepegel und dem Löcher einfangenden Energie-
lung auf einen Wert, der in dem Bereich liegt, in dem pegel liegt.
die erwähnte steile Zunahme auftritt, die Größe des Es leuchtet ein, daß durch Wahl des Verhältnisses
Photostromes in hohem Maß gegenüber weiterer io der Störstellenkonzentrationen, d. h. der Produkte
Strahlung empfindlich sein muß, die das Einfangen aus Störstellenkonzentration und Einfangsquerschnitt,
freier Ladungsträger durch die Störstellen beeinflus- der einzufangenden Ladungsträger in vielen Fällen
sen kann, da der Intensitätsbereich der Strahlung, in erreicht werden kann, daß ganz nach Wunsch zuerst
dem die steile Zunahme auftritt, von der weiteren der eine oder der andere Energiepegel seine maxi-
oder zusätzlichen Strahlung zu höheren oder nied- 15 male Besetzung mit eingefangenen Ladungsträgern
rigeren Intensitäten hin verschoben wird und wegen erreicht und die Intensität der Hilfsstrahlung, bei der
der stellen Zunahme bereits eine sehr kleine Ver- die steile Zunahme des Photostromes beginnt, von
Schiebung genügt, um eine große Änderung des der Größe der genannten Konzentration abhängig ist.
Photostromes herbeizuführen. Störstellen, die freie Elektronen und/oder Löcher
Entsprechend dieser Erkenntnis ist die genannte ao einfangen können, sind für praktisch sämtliche HaIb-
Aufgabe bei einer Vorrichtung mit einer Hilfsstrahl- leiter bekannt und werden oft als »Killer« bezeich-
tungsquelle und einem strahlungsempfindlichen Halb- net. Sie können aus einer Verunreinigung oder aus
leiterkörper zum Nachweis elektromagnetischer Strah- . Gitterfehlern bestehen.
lung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halb- Bekanntlich ist die Lage des Fermipegels in einem
leiterkörper sowohl Elektronen als auch Löcher ein- 25 Halbleiterkörper durch die Wahl der Konzentration
fangende Störstellen aufweist, die bei zunehmender nen an Verunreinigungen, Donatoren und Akzepto-
Intensität der Hilfsstrahlung innerhalb eines Intensi- ren und/oder Störstellen einstellbar, wobei sich eine
tätsbereiches eine steile Zunahme des Photostromes Störstelle, wie ein Donator oder Akzeptor mit einem
bewirken, und daß die Quantenenergie der Strahlung tiefliegenden Donator- oder Akzeptorpegel, also wie
der Hilfsstrahlungsquelle so bemessen ist, daß freie 30 ein nicht vollständig ionisierter Donator oder Akzep-
Löcher und Elektronen in dem Halbleiterkörper er- tor verhalten kann.
zeugt werden, und daß die Intensität der Hilfsstrah- Kann die nachzuweisende Strahlung Elektronen
lung auf den erwähnten Bereich der steilen Zunahme dem einer Störstelle zugeordneten Energiepegel zu-
des Photostromes des Halbleiterkörper eingestellt ist führen oder aus ihm entfernen, so kann die Strahlung
und daß ferner das verbotene Energieband des Halb- 35 dadurch das Einfangen von Ladungsträgern durch die
leiterkörpers breiter ist als der Quantenenergie der Störstellen beeinflussen.
nachzuweisenden Strahlung entspricht. Eine solche Eine andere wichtige Weiterbildung der Erfindung
Vorrichtung hat den Vorteil einer hohen Empfind- ist dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen in
lichkeit und eines kleinen Dunkelstromes. solchen Konzentrationen vorhanden sind, daß bei
Unter einer steilen Zunahme des Photostromes ist 40 zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung derPhoto-
hier eine überquadratische Zunahme des Photo- strom dadurch steil zunimmt, daß die Besetzung der
stromes im Verhältnis zur Intensität der Hilfsstrah- Elektronen einfangenden Störstellen durch eingefan-
lung zu verstehen. gene Elektronen maximal zu werden beginnt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Eine solche Vorrichtung kann nach einem Ververschiedene
Möglichkeiten, durch Störstellen mit 45 fahren betrieben v/erden, das dadurch gekennzeichnet
einem bestimmten Energiepegel in dem strahlungs- ist, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens
empfindlichen Halbleiterkörper die im Verhältnis zur teilweise aus Strahlung besteht, die Elektronen aus
Intensität der Hilfsstrahlung steile Zunahme des dem Valenzband zu dem Energiepegel der Löcher
Photostromes zu erreichen. einfangenden Störstellen bringen kann und dadurch Dies kann gemäß einer Weiterbildung der Erfin- 50 den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom
dung dadurch erreicht werden, daß der Energiepegel verringert.
der Elektronen einfangenden Störstellen über dem An dieser Stelle sei bemerkt, daß an sich Photo-Fermipegel
und der Energiepegel der Löcher einfan- leiter bekannt sind, in denen durch auffallende Strängenden
Störstellen unter dem Fermipegel liegt, und lung ein Photostrom erzeugt und durch eine Hilfsdie
Störstellen in solcher Konzentration vorhanden 55 strahlung verringert werden kann. In der Literatur
sind, daß der bei zunehmender Intensität der Hilfs- wird dieser Effekt gewöhnlich als »Quenching« bestrahlung
im Halbleiterkörper auftretende Photo- zeichnet. Die Empfindlichkeit für die den Photostrom
strom zunächst durch das Einfangen erzeugter Elek- verringernde Strahlung ist dabei aber geringer als bei
tronen und Löcher in die Störstellen beschränkt wird einer Vorrichtung nach der Erfindung, da bei dem be-
und dann steil dadurch zunimmt, daß die Besetzung 60 kannten Verfahren der Photostrom in günstigen FaI-wenigstens
eines der genannten Pegel durch einge- len nur bis auf etwa 10% seiner ursprünglichen
fangene Ladungsträger maximal zu werden beginnt. Größe verringert wird, während mit einer Vorrich-Dabei
sei jedoch bemerkt, daß der Fermipegel tang nach der Erfindung Verringerungen des Photonicht
notwendigerweise zwischen dem Elektronen stromes auf einen Wert von 10~"5 seines ursprüngeinfangenden
Energiepegel und dem Löcher einfan- 65 liehen Wertes erreicht worden sind,
genden Energiepegel liegen muß. Der Fermipegel Ein weiteres Verfahren zum Betrieb der Vorrichkann
etwas über dem Elektronen einfangenden, be- tang nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
reits teilweise mit Elektronen besetzten Energiepegel, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens teil-
weise aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen
zum Leitungsband bringen kann und so den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verstärkt.
Eine weitere wichtige Weiterbildung der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Störstellen in solcher Konzentration vorhanden sind, daß bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung
der Photostrom dadurch steil zunimmt, daß die Besetzung der Löcher einfangenden Störstellen
durch eingefangene Löcher maximal zu werden beginnt.
Eine solche Vorrichtung kann gemäß einem Verfahren betrieben werden, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß die nachzuweisende Strahlung teilweise aus Strahlung besteht, die entweder die Elektronen
von dem Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen zum Leitungsband bringen kann und dadurch
den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verringert oder die Elektronen aus dem Valenzband
zu dem Energiepegel der Löcher einfangenden Störstellen bringen und dadurch den von der
Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verstärkt.
Gemäß einer anderen wichtigen Weiterbildung der Erfindung ist der Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang
versehen, so daß er selbst als Strom- und/ oder Spannungsquelle dienen kann.
Es hat sich dabei gezeigt, daß es bei Anwesenheit eines pn-Überganges genügt, daß nur in der Umgebung
des pn-Überganges der Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen über dem Fermipegel
liegt, während der Energiepegel der Löcher einfangenden Störstellen unter dem Fermipegel
liegt. Dies bedeutet, daß nur eine an den pn-übergang angrenzende Zone hochohmig zu sein braucht.
Die Lage des Fermipegels zwischen den durch die Störstellen gebildeten Energiepegeln bedeutet nämlich
in der Praxis meistens, daß das Halbleitermaterial hochohmig ist. Bei Vorrichtungen, bei denen die
steile Zunahme des Photostromes dadurch erreicht wird, daß der Elektronen einfangende Energiepegel
seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, und der Halbleiterkörper einen pn-übergang aufweist,
werden besonders günstige Ergebnisse erreicht, wenn die Störstellen wenigstens in dem an den pn-übergang
angrenzenden p-leitenden Teil des Halbleiterkörpers vorhanden sind und die Hilfsstrahlung und
die nachzuweisende Strahlung diesem Teil des Halbleiterkörpers zugeführt werden.
Eine besonders hohe Empfindlichkeit wird mit einem Halbleiterkörper aus Galliumphosphid erreicht,
in dem die Löcher einfangenden Störstellen durch Dotierung mit Kupfer erzielt sind.
Bei Vorrichtungen, bei denen die steile Zunahme des Photostromes dadurch erreicht wird, daß der
Löcher einfangende Energiepegel seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt und der Halbleiterkörper
einen pn-übergang aufweist, werden besonders günstige Ergebnisse erreicht, wenn die Störstellen
wenigstens in dem an den pn-übergang angrenzenden η-leitenden Teil des Halbleiterkörpers vorhanden
sind und die Hilfsstrahlung und die nachzuweisende Strahlung diesem Teil des Halbleiterkörpers
zugeführt werden.
In dem mit einem pn-übergang versehenen Halbleiterkörper wird von der nachzuweisenden Strahlung
der von der Hilfsstrahlung erzeugte Photostrom gleichfalls herabgesetzt oder erhöht.
Bemerkt wird noch, daß, obwohl, wie bereits erwähnt, das »Quenching« eines Photostromes in einem
Photowiderstand durch auffallende Strahlung bekannt ist, das »Quenching« des in einem photoempfindlichen
Halbleiterkörpers mit einem pn-übergang erzeugten »Photostromes bisher noch nicht vorgeschlagen
wurde.
Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung bildet vorzugsweise die Hilfsstrahlungsquelle mit dem HaIbleiterkörper
eine bauliche Einheit.
Eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Nachweis elektro-magnetischer Strahlung ist jedoch nicht
nur zum Nachweis von Strahlung als solcher geeignet, sondern kann auch so ausgebildet werden, daß
in ihr die von einer ihr zugeordneten Strahlungsquelle ausgehende Strahlung nachgewiesen wird.
Eine solche Vorrichtung, bei der die Quelle der nachzuweisenden elektro-magnetischen Strahlung mit
der Hilfsstrahlungsquelle und dem photoempfindao liehen Halbleiterkörper eine bauliche Einheit bildet,
kann z. B. als opto-elektronisches Schaltelement benutzt werden, das dann mit zwei an die Strahlungsquellen angeschlossenen elektrischen Eingängen und
einem an den lichtempfindlichen Halbleiterkörper angeschlossenen elektrischen Ausgang versehen ist.
Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Nachweis von Strahlung nach der Erfindung,
F i g. 2 ein Beispiel eines Energieschemas eines in einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendbaren
Halbleiterkörpers,
F i g. 3 Kurven, welche die Abhängigkeit des Photostromes von der Intensität der auffallenden
Strahlung bei einer Vorrichtung nach der Erfindung darstellen;
F i g. 4 und 5 zeigen schematisch und im Querschnitt mit Elektroden versehene lichtempfindliche
Halbleiterkörper, die in einer Vorrichtung nach der Erfindung verwendbar sind, und
F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung.
F i g. 1 stellt eine Vorrichtung zum Nachweis von Strahlung 6 mit einem lichtempfindlichen Halbleiterkörper
1, dem die nachzuweisende Strahlung 6 zugeführt wird. Der lichtempfindliche Halbleiterkörper
1 besitzt Anschlußkontakte 2 und 3, an die ein nicht dargestelltes Meßinstrument zum Messen
des Photostromes angeschlossen ist und mit denen nötigenfalls (wie in dem Fall, daß der lichtempfindliche
Halbleiterkörper ein Photowiderstandselement ist) oder gewünschtenfalls außerdem eine Spannungsquelle verbunden sein kann, um an den Kontakten 2
und 3 eine Vorspannung anzulegen.
Nach der Erfindung wird von der Hilfsstrahlungsquelle 4 emittierte Hilfsstrahlung 5 dem lichtempfindlichen
Halbleiterkörper 1 zugeführt, wodurch freie Ladungsträger, sowohl Elektronen als auch
Löcher, im Halbleiterkörper 1 erzeugt werden. Die Hilfsstrahlung 5 hat dazu z. B. eine Quantenenergie,
die wenigstens gleich der Breite des verbotenen Bandes des Halbleiterkörpers 1 ist. Der Halbleiterkörper
1 besitzt ferner Störstellen, die im verbotenen Band B des Halbleiterkörpers 1 wenigstens einen
Energiepegel 11 (s. F i g. 2) erzeugen, in den Elektronen eingefangen werden können, und wenigstens
einen Energiepegel 12, in den Löcher eingefangen
werden können, wobei die Störstellen bei zunehmender Intensität / der Hilf»strahlung 5, über einen Bereich
von Intensitäten der Hilfsstrahlung 5 (in F i g. 3 ungefähr den Bereich 30), eine im Verhältnis
zur Intensität / der Hilfsstrahlung 5 superlineare Zunahme des Photostromes i bewirken (s. die
Kurve α in Fig. 3). Die Intensität/- der Hilfsstrahlung
5 ist bei einer Vorrichtung nach der Erfindung auf einen im Bereich 30 liegenden Wert eingestellt,
der Konzentrationen der Störstellen, welche die Pegel ■11 und 12 (F i g. 2) bilden, kann man also dafür sorgen,
daß der Pegel 11 oder der Pegel 12 zuerst seine maximale Besetzung bei zunehmender Intensität der
Hilfsstrahlung5 (Fig. 1) zu erreichen beginnt, wobei
die Größe dieser Konzentrationen die Intensität der Hilfsstrahlung 5 bedingt, bei der die superlineare
Zunahme des Photostromes beginnt.
Elektronen einfangende und Löcher einfangende
lung der Konzentrationen der Störzentren eine Charakteristik für den betreffenden Halbleiterkörper der
in F i g. 3 gezeigten Art erhalten.
Bei einer zuerst zu besprechenden wichtigen Gruppe von Ausführungsformen von Vorrichtungen
nach der Erfindung sind die Störstellen im lichtempfindlichen Halbleiterkörper 1 in Konzentrationen
vorhanden, bei denen bei zunehmender Intensität/
Jung 5 dadurch zunimmt, daß die Besetzung mit eingefangenen
Elektronen des Elektronen einfangenden Energiepegels 11 maximal zu werden beginnt.
. Dabei kann in besonders empfindlicher Weise Strahlung 6 angezeigt werden, die wenigstens teilweise aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Valenzband C zu dem Löcher einfangenden Energiepegel 12 bringen kann, also Strahlung mit einer
. Dabei kann in besonders empfindlicher Weise Strahlung 6 angezeigt werden, die wenigstens teilweise aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Valenzband C zu dem Löcher einfangenden Energiepegel 12 bringen kann, also Strahlung mit einer
und es wird Strahlung 6 angezeigt, die wenigstens to Störstellen sind für sehr viele Halbleiter bekannt,
teilweise aus Strahlung besteht, die das Einfangen und ein Fachmann kann durch Versuch durch Regefreier Ladungsträger in die Energiepegel 11 und 12
beeinflussen kann und die eine Quantenenergie hat,
die kleiner ist als die Breite des verbotenen
Bandes/?. 15
beeinflussen kann und die eine Quantenenergie hat,
die kleiner ist als die Breite des verbotenen
Bandes/?. 15
Bemerkt wird, daß die Kurve α der F i g. 3 von der
Art ist, wie sie bei einer Vorrichtung nach der Erfindung erzielt wird, wenn die Intensität / der Hilfsstrahlung und der bei dieser Intensität auftretende
Photostrom i logarithmisch gegeneinander aufgetra- 20 der Hilfsstrahlung 5 der Photostrom i in supergen werden. Der superlineare Teil der Kurve α liegt linearem Verhältnis zur Intensität der Hilfsstrahetwa im Bereich 30 der Intensitäten /.
Art ist, wie sie bei einer Vorrichtung nach der Erfindung erzielt wird, wenn die Intensität / der Hilfsstrahlung und der bei dieser Intensität auftretende
Photostrom i logarithmisch gegeneinander aufgetra- 20 der Hilfsstrahlung 5 der Photostrom i in supergen werden. Der superlineare Teil der Kurve α liegt linearem Verhältnis zur Intensität der Hilfsstrahetwa im Bereich 30 der Intensitäten /.
Bei wichtigen und einfachen Ausführungsformen
von Vorrichtungen nach der Erfindung liegt der
Elektronen einfangende Energiepegel 11 über dem 25
FermipegelF und. der Löcher einfangende Energiepegel 12 unter dem Fermipegel F, und die Störstellen
sind in Konzentrationen vorhanden, bei denen bei
zunehmender Intensität / der Hilfsstrahlung 5 der im
lichtempfindlichen Halbleiterkörper auftretende 30 größeren Quantenenergie als der Abstand zwischen Photostrom i zunächst durch das Einfangen erzeug- dem Pegel 12 und dem Valenzband C. ter Elektronen und Löcher in die Pegel 11 und 12 Dies kann wahrscheinlich wie folgt erklärt werden:
von Vorrichtungen nach der Erfindung liegt der
Elektronen einfangende Energiepegel 11 über dem 25
FermipegelF und. der Löcher einfangende Energiepegel 12 unter dem Fermipegel F, und die Störstellen
sind in Konzentrationen vorhanden, bei denen bei
zunehmender Intensität / der Hilfsstrahlung 5 der im
lichtempfindlichen Halbleiterkörper auftretende 30 größeren Quantenenergie als der Abstand zwischen Photostrom i zunächst durch das Einfangen erzeug- dem Pegel 12 und dem Valenzband C. ter Elektronen und Löcher in die Pegel 11 und 12 Dies kann wahrscheinlich wie folgt erklärt werden:
beschränkt wird und anschließend in superlinearem Wird dem lichtempfindlichen Halbleiterkörper 1
Verhältnis zur Intensität / der Hilfsstrahlung 5 zu- Hilfsstrahlung S zugeführt, so werden Elektronen aus
nimmt, indem die Besetzung mit eingefangenen La- 35 dem Valenzband C zum Leitungsband A gebracht
dungsträgern wenigstens eines der Pegel 11 und 12 und also freie Elektronen im Leitungsband A und
maximal zu werden beginnt. freie Löcher im Valenzband C erzeugt. Der Photo-
Die Lage des Fermipegels kann in an sich be- strom i bleibt dabei zunächst beschränkt, weil die
kannter Weise durch Regelung der Konzentrationen Elektronen in den Energiepegel 11 und die Löcher
an Donatoren und/oder Akzeptoren eingestellt wer- 40 in den Energiepegel 12 eingefangen werden. Dabei
den. Dies sind gewöhnlich praktisch vollständig wird auch etwas Rekombination von Elektronen mit
ionisierte Verunreinigungen, die dem Leitungsband Löchern über die Pegel 11 und 12 auftreten,
oder dem Valenzband sehr nahe liegende Energie- Nimmt die Intensität / der Hilfsstrahlung 5 zu, so
pegel (in F i g. 2 nicht dargestellt) erzeugen. Die beginnt der Pegel 11 seine maximale Besetzung mit
Störstellen, die Elektronen oder Löcher einfangen 45 eingefangenen Elektronen zu erreichen. Dies bedeukönnen
und tiefer im verbotenen Band liegende tet, daß der Pegel 11 nicht mehr sämtliche erzeugten
Energiepegel, wie die Pegel 11 und 12, bilden, kön- Elektronen einfangen kann, wodurch die Lebensnen
die Lage des Fermipegels gleichfalls beeinflus- dauer der freien Elektronen beträchtlich zunimmt
sen. Eine Störstelle kann sich nämlich wie ein nicht und demnach gleichfalls die Anzahl freier Elektrovollständig
ionisierter Donator oder Akzeptor mit 5° nen. Dadurch wird der von erzeugten freien Elekeinem
tief im verbotenen Band liegenden Donator- tronen verursachte Photostrom in superlinearem
oder Akzeptorpegel verhalten. Verhältnis zur Intensität / der Hilfsstrahlung 5 zu-
Bemerkt wird, daß hier mit der Lage des Fermi- nehmen.
pegels die Lage dieses Pegels im lichtempfindlichen Ist der Photostrom i, bevor der Pegel 11 seine
Halbleiterkörper gemeint wird, wenn dieser keine 55 maximale Besetzung zu erreichen beginnt, ein Photooder
praktisch keine Strahlung absorbiert. Während strom, der im wesentlichen durch erzeugte freie
Elektronen auftritt, so wird der Photostrom i also in superlinearem Verhältnis zunehmen. Ist der Photostrom
z, bevor der Pegel 11 seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, ein Photostrom, der im
wesentlichen durch erzeugte freie Löcher auftritt, so wird der Photostrom i in superlinearem Verhältnis
zunehmen, wenn der von freien Elektronen verursachte, zunehmende Photostrom den von Löchern
bauten Fremdatomen oder Gitterfehlern, pro Volum- 65 verursachten Photostrom zu überwiegen beginnt,
einheit und dem Einfangsquerschnitt für einzufan- Bei noch größeren Intensitäten 7 der Hilfsstrah-
gende Ladungsträger pro Störzentrum abhängig. lung 5 hat der Pegel 11 praktisch keinen Einfluß
Durch Regelung des gegenseitigen Verhältnisses mehr, und der Photostrom i nimmt bei zunehmender
der Bestrahlung mit der Hilfsstrahlung, bei der die
Besetzung mit eingefangenen Ladungsträgern der
Pegel 11 und 12 in Fig. 3 zunimmt, kann sich die
Lage des Fermipegels verschieben.
Besetzung mit eingefangenen Ladungsträgern der
Pegel 11 und 12 in Fig. 3 zunimmt, kann sich die
Lage des Fermipegels verschieben.
Das Einfangen von Ladungsträgern durch eine
Störstelle ist unter anderem vom Produkt aus der
Konzentration der Störstelle, d. h. der Anzahl von zu
einer Störstelle gehörigen Störzentren, z. B. einge-
Störstelle ist unter anderem vom Produkt aus der
Konzentration der Störstelle, d. h. der Anzahl von zu
einer Störstelle gehörigen Störzentren, z. B. einge-
Intensität 1 der HilfsStrahlung 5 wieder viel langsamer zu.
Ein Beispiel des Verlaufs des Photostromes i in Abhängigkeit von der Intensität / der HilfsStrahlung
ist durch die Kurve ö in F i g. 3 dargestellt.
Wird der lichtempfindliche Halbleiterkörper mit Strahlung 6 konstanter Intensität bestrahlt, wobei
diese Strahlung Elektronen aus dem Valenzband C zu dem Löcher einfangenden Energiepegel 12 bringen
kann, und anschließend der Photostrom i und die Intensität / der Hilfsstrahlung 5 logarithmisch
gegeneinander abgetragen, so ergibt sich eine rechts von der Kurve α liegende Kurve, z. B. die Kurve b
der F i g. 3. Durch die Strahlung 6 wird die superlineare Zunahme des Photostromes i im Verhältnis
zur Intensität / der Hilfsstrahlung 5, also nach einem Bereich größerer Intensitäten/, verschoben. Erhöht
man die Intensität der Strahlung 6, so ergibt sich z. B. die Kurve c.
Dies kann wie folgt verstanden werden: Da die Strahlung 6 Elektronen aus dem Valenzband C zu
dem Löcher einfangenden Pegel 12 bringt, wird die Löcherkonzentration im Valenzband C vergrößert.
Hierdurch kann ein in den Elektronen einfangenden Pegel 11 eingefangenes Elektron schneller mit einem
Loch im Valenzband C rekombinieren, wodurch gleichsam die Aufenthaltszeit eingefangener Elektronen
im Pegel 11 abgekürzt wird. Dies bedeutet, daß eine größere Anzahl Elektronen eingefangen
werden muß, um die maximale Besetzung mit Elektronen des Pegels 11 zu erreichen, und demnach die
maximale Besetzung des Pegels 11 erst bei größeren Intensitäten der Hilfsstrahlung 5 auftreten wird.
Da infolge der nachzuweisenden Strahlung 6, falls
diese Strahlung die Elektronenbesetzung des Pegels 12 vergrößern kann, die superlineare Zunahme des
Photostromes nach einem Bereich größerer Intensitäten der Hilfsstrahlung 5 verschoben wird, ist ein
besonders empfindlicher Nachweis der Strahlung 6 möglich.
Wird die Vorrichtung nach Fig. 1 im PunktP der
Kurve α eingestellt, wobei also noch keine nachzuweisende Strahlung 6 auf den lichtempfindlichen
Halbleiterkörper 1 auftritt, so wird bei Detektion von Strahlung 6 mit einer Intensität, bei der die Kurve b
erzielt ist, die Vorrichtung nach Fig.! sich auf den
Punkt R der Kurve b einstellen, da an der Intensität der Hilfsstrahlung S nichts geändert wird. Durch den
superlinearen Verlauf der Kurven α und b tritt eine beträchtliche Änderung in der Größe des Photostromes
/ auf. Dieser superlineare Verlauf macht es auch möglich, um noch sehr kleine aus Strahlung 6
bestehende Signale anzuzeigen.
Ist der Pegel 11 praktisch nicht optisch empfindlich, d. h., können praktisch keine Elektronen durch
Strahlung aus dem Pegel 11 in das Leitungsband A gebracht werden, so kann auf die besprochene Weise
Strahlung mit einer Quantenenergie wenigstens gleich dem Abstand zwischen dem Pegel 12 und dem Valenzband
C und kleiner als die Breite des verbotenen Bandes B angezeigt werden.
Bemerkt wird, daß optisch unempfindliche Störzentren als nichtstrahlende Zentren in der Literatur
bekannt sind.
Ist der Pegel 11 dagegen optisch empfindlich, so kann Strahlung mit einer Quantenenergie kleiner als
der Abstand zwischen dem Pegel 11 und dem Leitungsband .<4 auf die beschriebene Weise nachgewiesen
werden, wobei dieser Abstand größer als der Abstand zwischen dem Pegel 12 und dem Valenzband C
sein muß.
Ist der Pegel 11 optisch empfindlich, so kann Strahlung 6 angezeigt werden, die Elektronen aus
dem Pegel 11 in das Leitungsband bringen kann. Der Pegel 12 kann dann optisch unempfindlich sein oder
weiter vom Valenzband C entfernt liegen als der Pegel 11 vom Leitungsband A liegt.
ίο Die nachzuweisende Strahlung 6 vermindert dann
gleichsam die wirksame Konzentration der den Pegel 11 verursachenden Störstelle, so daß der Pegel 11
bereits bei kleineren Intensitäten / der Hilfsstrahlung 5 seine maximale Besetzung erreichen wird. Bei konstanter
Einstrahlung mit Strahlung 6 ergibt sich dann eine links statt rechts von der Kurve α liegende Kurve,
und bei Detektion der Strahlung ergibt sich dann statt einer Abnahme eine Zunahme des Photostromes i.
Bei einer weiteren wichtigen Gruppe von Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung
sind die Störstellen in Konzentrationen vorhanden, bei denen bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung
5 der Photostrom im superlinearen Verhältnis zur Intensität der Hilfsstrahlung 5 dadurch zunimmt,
daß die Besetzung mit Löchern des Löcher einfangenden Pegels 12 maximal zu werden beginnt. Dabei
kann auf ähnliche Weise, wie im vorhergehenden Fall besprochen wurde, in besonders empfindlicher Weise
Strahlung 6 angezeigt werden, die wenigstens teilweise aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Elektronen
einfangenden Pegel 11 zum Leitungsband A bringen kann und dadurch den von der Hilfsstrahlung
5 erzeugten Photostrom verringert. Ferner kann Strahlung 6 nachgewiesen werden, die wenigstens teilweise
aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Valenzband C zu dem Löcher einfangenden Pegel 12
bringen kann und dadurch den von der Hilfsstrahlung 5 erzeugten Photostrom verstärkt.
Bemerkt wird, daß bei diesen Ausführungsformen der von erzeugten Löchern verursachte Photostrom in superlinearem Verhältnis zunimmt. Wird der Photostrom i, bevor der Pegel 12 seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, im wesentlichen von erzeugten Löchern verursacht, so wird er in superlinearem Verhältnis zunehmen. Wird der Photostrom, bevor der Pegel 12 seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, im wesentlichen von erzeugten Elektronen verursacht, so wird er in superlinearem Verhältnis zunehmen, wenn der von erzeugten Löchern verursachte zunehmende Photostrom den von Löchern verursachten Photostrom zu übersteigen beginnt.
Bemerkt wird, daß bei diesen Ausführungsformen der von erzeugten Löchern verursachte Photostrom in superlinearem Verhältnis zunimmt. Wird der Photostrom i, bevor der Pegel 12 seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, im wesentlichen von erzeugten Löchern verursacht, so wird er in superlinearem Verhältnis zunehmen. Wird der Photostrom, bevor der Pegel 12 seine maximale Besetzung zu erreichen beginnt, im wesentlichen von erzeugten Elektronen verursacht, so wird er in superlinearem Verhältnis zunehmen, wenn der von erzeugten Löchern verursachte zunehmende Photostrom den von Löchern verursachten Photostrom zu übersteigen beginnt.
Der lichtempfindliche Halbleiterkörper besitzt vorzugsweise einen pn-übergang, wodurch ohne Anlegen
einer Vorspannung in diesem Körper ein Photostrom erzeugt werden kann. Zu dem in einem einen pn-übergang
enthaltenden Halbleiterkörper auftretenden Photostrom tragen die in der Umgebung des pn-Übergangs
erzeugten Ladungsträger, d. h. die in einem Abstand höchstens gleich einigen Diffusionslängen
vom pn-übergang erzeugten Minoritätsladungsträger, bei. Der Photostrom entsteht nämlich durch über den
pn-Übergang diffundierende Minoritätsladungsträger. Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung genügt es
daher, daß nur in der Umgebung des pn-Übergangs der Elektronen einfangende Pegel 11 über dem Fermipegel
F und der Löcher einfangende Pegel 12 unter dem FermipegelF liegt. Dies ist auch vorzugsweise
der Fall, da die Lage des Fermipegels F zwischen den
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Pegeln 11 und 12 gewöhnlich bedeutet, daß das betreffende Halbleitermaterial hochohmig ist. Bei einem
Photowiderstandselement ist: dies günstig, da dies dann einen hohen Dunkelwiderstand bedeutet; falls
der Halbleiterkörper einen pn-übergang hat, wird der Dunkelwiderstand aber durch den pn-übergang
bedingt, und hierbei ist es günstiger, wenn der Halbleiterkörper nur in der Umgebung des pn-Übergangs
hochohmig und in größerem Abstand vom pn-übergang niedrigohmig ist, wobei der Fermipegel F über
dem Pegel 11 oder unter dem Pegel 12 liegt, da dies einen niedrigeren inneren Widerstand des Halbleiterkörpers
möglich ma,cht.
Falls der lichtempfindliche Halbleiterkörper 1 ein Photowiderstandselement ist und falls der Halbleiterkörper
einen pn-übergang enthält, ergeben sich Kennlinien gleicher Art. Diese Kennlinien sind in
F i g. 3 dargestellt. Fe'rner kann in beiden Fällen die Photostrom herabsetzende und die Photostrom erhöhende
Strahlung angezeigt werden. Im Fall eines Photowiderstandselementes entsteht der Photostrom
dadurch, daß erzeugte Ladungsträger sich unter dem Einfluß einer am Element angelegten Spannung zu
bewegen beginnen, während im Fall eines einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörpers der
Photostrom dadurch entsteht, daß erzeugte Minoritätsladungsträger über den pn-übergang diffundieren.
Da bei einem einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörper die erzeugten Minoritätsladungsträger
von Wichtigkeit sind, sind bei Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung, bei denen die
superlineare Zunahme des Photostromes dadurch auftreten kann, daß der Elektronen einfangende Pegel
11 seine maximale Besetzung erreicht, und bei denen der Halbleiterkörper einen pn-übergang besitzt, die
Störstellen vorzugsweise wenigstens in dem am pnübergang angrenzenden p-Typ-Teil des lichtempfindlichen
Halbleiterkörpers vorhanden, und Hilfsstrahlung und nachzuweisende Strahlung werden diesem
p-Typ-Teil zugeführt.
Tritt die superlineare Zunahme dadurch auf, daß der Pegel 12 eine maximale Besetzung erreicht, so
sind vorzugsweise die Störstellen wenigstens in dem am pn-übergang angrenzenden n-Typ-Teil vorhanden,
und Hilfsstrahlung und anzuzeigende Strahlung werden diesem n-Typ-Teil zugeführt
Es werden nunmehr einige Ausführungsformen konkreter beschrieben werden.
Es läßt sich ein lichtempfindlicher Halbleiterkörper aus Galliumphosphid verwenden, der wie folgt hergestellt
wurde:
Zunächst wird ein η-Typ Galliumphosphidkörper dadurch hergestellt, daß über eine in einem Schiffchen
aus Aluminiumoxyd befindliche Galliummenge Phosphorwasserstoff bei einer Temperatur von etwa
1200° C geleitet wird. Das Überleiten erfolgt so lange, bis sich Galliumphosphidplättchen im Gallium gebildet
haben. Nach Abkühlung können diese Plättchen aus dem Gallium entfernt werden, z. B. mechanisch,
worauf Galliumüberreste mit Hilfe von Salzsäure (etwa 30 Gewichtsprozent) von den Plättchen
entfernt werden können. Der übergeleitete Phosphorwasserstoff kann dadurch bereitet sein, daß AIuminiumphosphid
mit Wasser reagiert und der entstandene Phosphorwasserstoff getrocknet wird.
Die erzielten Galliumphosphidplättchen haben Abmessungen von etwa 3 X 3 X 0,25 mm. Es ergibt sich,
daß die Plättchen n-Typ-Leitfähigkeit aufweisen.
Anschließend werden die Galliumphosphidplättchen mit Kupfer dotiert, wozu sie in Berührung mit
gut gereinigtem Kupfer, z. B. auf die Plättchen aufgelegten Kupferdrahtstücken, in einem Quarzrohr
erhitzt wurden. Um Verunreinigungen zu entfernen, kann zunächst einige Stunden lang bei 200 bis 300° C
im Vakuum erhitzt werden. Anschließend wird einige Stunden lang, z. B. 5 Stunden, bei etwa 400° C in
Luft mit einem Druck von etwa 0,5 mm Hg erhitzt. Die Oberfläche der Plättchen nimmt dabei durch die
Adsorption von Kupfer eine schwarze Farbe an.
Nach Entfernung der Kupferstückchen werden die Plättchen wieder erhitzt. Diese Erhitzung erfolgt in
einem geschlossenen Quarzrohr im Vakuum (etwa 10-° mm Hg) etwa 24 Stunden lang bei etwa 9000C.
Dabei verschwindet die schwarze Verfärbung, da das adsorbierte Kupfer sich in die Plättchen verteilt.
Entsprechend der Donatorkonzentration im Ausgangsmaterial und der aufgenommenen Kupfermenge
werden η-Typ oder p-Typ-Plättchen erhalten.
Auf die beschriebene Weise entstehen schwach n-Typ-Leitfähigkeit aufweisende Plättchen mit einem
spezifischen Widerstand von etwa ΙΟ9 Ω cm.
Auf einer solchen Platte 20 (s. Fig. 4) werden zwei Zinnkontakte 21 und 22 etwa 1 Sekunde lang
bei 500 bis 800° C aufgeschmolzen. Die Zinnkontakte liegen etwa 1 mm voneinander und haben einen
Durchmesser von je etwa 0,5 mm. Die Zinnkontakte werden in üblicher Weise mit Zuführungsleitungen
23 und 24 versehen.
Die Kontakte 21 und 22 bilden eine praktisch ohmsche Verbindung mit dem Galliumphosphidkörper
20.
Das entstandene Gebilde kann als Photowiderstandselement in einer Vorrichtung nach der Erfindung
verwendet werden.
Der Galliumphosphidkörper 20 hat ein Energieschema der in F i g. 2 dargestellten Art. Die Breite
des verbotenen Bandes B beträgt etwa 2,25 eV. Es ergibt sich, daß der Elektronen einfangende Pegel 11
in den auf die beschriebene Weise hergestellten Kristallen vorhanden ist. Der Löcher einfangende
Pegel 12 wird wahrscheinlich durch die Dotierung mit Kupfer erzeugt.
Wird eine Spannung von wenigen Volt, z. B. etwa 5 Volt, zwischen den Kontakten 21 und 22 angelegt,
so wird bei Bestrahlung mit Hilfsstrahlung 5 eine Charakteristik entsprechend der Kurve α der F i g. 3
erhalten. Die Kurve α entsteht durch Bestrahlung mit Hilfsstrahlung 5 mit einer Wellenlänge von etwa
4950 A.
Die Intensität/ der Hilfsstrahlung5 ist logarithmisch
(Grundzahl 10) und in der Anzahl Strahlungsquanten pro Kubikzentimeter und pro Sekunde der
auffallenden Hilfsstrahlung 5 aufgetragen. Der Photostrom i ist logarithmisch (Grundzahl 10) und in beliebigen
Einheiten aufgetragen.
Wird neben der Hilfsstrahlung 5 auch rote oder infrarote Strahlung mit einer Quantenenergie zwischen
etwa 0,6 und 2,0 eV eingestrahlt, so entsteht eine rechts von der Kurve α liegende Kurve. Die
Kurve & ist dadurch erzielt, daß neben der Hilfsstrahlung 5 auch infrarote Strahlung mit einer Wellenlänge
von etwa 1 Mikron eingestrahlt wird. Die Kurve c ist bei einer etwa 20mal größeren Intensität
der infraroten Strahlung entstanden. Dies bedeutet, wie es aus der vorhergehenden Erläuterung hinsichtlich
der F i g. 3 ergibt, daß hier die superlineare Zu-
13 14
nähme des Photostromes i im Verhältnis zur Inten- dung derselben Hilfsstrahlung 5. Wie aus F i g. 5 ersität/
der Hilfsstrahlung 5 dadurch entsteht, daß der sichtlich ist, wird die Strahlung 5 und 6 dem p-Typ-Pegel
11 seine maximale Besetzung zu erreichen be- Teil des Plättchens 30 zugeführt, während der vom
ginnt und daß die rote oder infrarote Strahlung Elek- Kontakt 31 gebildete, am pn-übergang 35 angrentronen
aus dem Valenzband C zum Pegel 12, der in 5 zende n-Typ-Teil 36 vom Kontakt 31 abgeschirmt
einem Abstand von etwa 0,57 eV vom Valenzband C wird,
liegt, bringen kann. Es ist einleuchtend, daß viele Kombinationen von
liegt, bringen kann. Es ist einleuchtend, daß viele Kombinationen von
Mittels eines Photowiderstandselementes nach Halbleiterwerkstoffen und Störstellen möglich sind,
F i g. 4 kann also rote oder infrarote Strahlung 6 mit mit denen die für eine Vorrichtung nach der Ereiner
zwischen etwa 0,6 und 2,0 eV liegenden io findung gewünschten Effekte erreicht werden können.
Quantenenergie nachgewiesen werden, wobei der von Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann selbst
der Hilfsstrahlung 5 erzeugte Photostrom verringert eine die Hilfsstrahlung 5 emittierende Strahlenwird.
Mittels infraroter Strahlung mit einer Wellen- quelle 4 enthalten. Die Strahlenquelle 4 ist also mit
länge von etwa 1 Mikron hat man den Photostrom dem lichtempfindlichen Halbleiterkörper 1 optisch
z.B. um einen Faktor 10~5 herabsetzen können. 15 gekoppelt (s. Fig. 1) und kann vorteilhaft mit ihm
Weiterhin konnten auffallende Strahlungsenergien von zu einer baulichen Kombination vereint werden. So
10"~7 bis 10~8 Watt leicht angezeigt werden. können die Strahlenquelle 4 und der lichtempfind-
Es wird nunmehr die Anwendung eines einen liehe Halbleiterkörper 1 eine gemeinsame Hülle
pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörpers be- haben, in F i g. 1 durch eine unterbrochene Linie 7
sprachen. 20 dargestellt, mit einem Fenster 8, durch welches die
Dabei kann gleichfalls ein Galliumphosphidkörper nachzuweisende Strahlung 6 den Halbleiterkörper 1
verwendet werden, der in gleicher Weise wie beim erreichen kann. Die Anschlußklemmen der Strahlenvorhergehenden Ausführungsbeispiel hergestellt sein quelle 4 sind mit 9 bezeichnet,
kann, nur mit dem Unterschied, daß durch eine ge- Die Strahlenquelle 4 kann eine beliebige, die geringe Verlängerung der Zeitdauer der Erhitzung des 25 wünschte Hilfsstrahlung emittierende Strahlenquelle Galliumphosphidplättchens in Berührung mit Kupfer sein, z. B. eine Wolframbogenlampe mit optischen das Plättchen p-Typ-Leitfähigkeit aufweist und einen Filtern. Auch ist vorteilhaft eine Injektions-Rekombispezifischen Widerstand zwischen etwa 10 und nations-Strahlenquelle verwendbar, die z. B. einen 1000 Ω cm hat. Auf einem solchen Galliumphosphid- mit Zink dotierten p-Typ-Galliumphosphidkörper plättchen 30 (F i g. 5) werden zwei Kontakte auf- 30 enthält, in dem durch das Aufschmelzen von Zinn geschmolzen, nämlich ein gleichrichtender Kontakt ein pn-übergang gebildet ist. Eine solche Injektions-31 aus Zinn und ein praktisch ohmscher Kontakt 32 Rekombinations-Strahlenquelle emittiert Hilfsstrahaus Gold, dem etwa 4 Gewichtsprozent Zink zu- lung 5 mit einer Wellenlänge von etwa 5600 A, gesetzt wurde. welche in den besprochenen Galliumphosphidplätt-
kann, nur mit dem Unterschied, daß durch eine ge- Die Strahlenquelle 4 kann eine beliebige, die geringe Verlängerung der Zeitdauer der Erhitzung des 25 wünschte Hilfsstrahlung emittierende Strahlenquelle Galliumphosphidplättchens in Berührung mit Kupfer sein, z. B. eine Wolframbogenlampe mit optischen das Plättchen p-Typ-Leitfähigkeit aufweist und einen Filtern. Auch ist vorteilhaft eine Injektions-Rekombispezifischen Widerstand zwischen etwa 10 und nations-Strahlenquelle verwendbar, die z. B. einen 1000 Ω cm hat. Auf einem solchen Galliumphosphid- mit Zink dotierten p-Typ-Galliumphosphidkörper plättchen 30 (F i g. 5) werden zwei Kontakte auf- 30 enthält, in dem durch das Aufschmelzen von Zinn geschmolzen, nämlich ein gleichrichtender Kontakt ein pn-übergang gebildet ist. Eine solche Injektions-31 aus Zinn und ein praktisch ohmscher Kontakt 32 Rekombinations-Strahlenquelle emittiert Hilfsstrahaus Gold, dem etwa 4 Gewichtsprozent Zink zu- lung 5 mit einer Wellenlänge von etwa 5600 A, gesetzt wurde. welche in den besprochenen Galliumphosphidplätt-
Beide Kontakte 31 und 32 können in gleicher 35 chen 20 und 30 freie Elektronen und Löcher er-Weise
aufgeschmolzen werden und haben dieselben zeugen kann.
Abmessungen wie die Kontakte 21 und 22 (F i g. 4) Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist als opto-
des vorhergehenden Ausführungsbeispiels. elektronisches Schaltelement verwendbar, bei dem
Der Kontakt 31 bildet einen pn-übergang 35 mit die nachzuweisende Strahlung 6 von einer in der
dem p-Typ-Galliumphosphidplättchen 30. 40 Vorrichtung vorhandenen zweiten Strahlenquelle 41
Die Kontakte 31 und 32 können in üblicher Weise (s. F i g. 6) emittiert wird,
mit Zuführungsleitungen 33 und 34 versehen sein. Diese mit Anschlußklemmen 40 versehene zweite
mit Zuführungsleitungen 33 und 34 versehen sein. Diese mit Anschlußklemmen 40 versehene zweite
Das Galliumphosphidplättchen 30 hat die gleichen Strahlenquelle 41 bildet vorteilhaft mit dem licht-Pegel
11 und 12 wie das Galliumphosphidplättchen empfindlichen Halbleiterkörper 1 und der Hilfs-20.
Der Fermipegel F wird aber nur in einer am 45 strahlenquelle 4 eine bauliche Einheit. So kann eine
pn-übergang 35 angrenzenden Zone des Gallium- gemeinsame Hülle 42 vorhanden sein,
phosphidplättchens 30 zwischen den Pegeln 11 und Auch die Strahlenquelle 41 kann eine beliebige,
phosphidplättchens 30 zwischen den Pegeln 11 und Auch die Strahlenquelle 41 kann eine beliebige,
12 liegen, da an der Stelle des pn-Übergangs 35 der die gewünschte Strahlung 6 emittierende Strahlen-Fermipegel
in der Mitte des verbotenen Bandes B quelle sein, aber auch eine Injektions-Rekombiliegt,
während in einem Abstand vom pn-übergang 50 nations-Strahlenquelle, z. B. mit einem p-Typ-Halb-35
der Fermipegel F unter dem Pegel 12 liegen wird, leiterkörper aus mit Zink und Sauerstoff dotiertem
da das Plättchen 30 p-Typ-Leitfähigkeit aufweist. Galliumphosphid, in dem durch das Aufschmelzen
In einer am pn-übergang 35 angrenzenden Zone von Zinn ein pn-übergang angebracht ist. Eine
im p-Typ-Plättchen 30 kann daher die Lebensdauer solche Injektions - Rekombinations - Strahlenquelle
der von der Hilfsstrahlung 5 erzeugten freien Elek- 55 emittiert Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa
tronen dadurch beträchtlich zunehmen, daß der 7000A, die mittels der besprochenen Gallium-Elektronen
einfangende Pegel 11 seine maximale Be- phosphidplättchen 20 und 30 angezeigt werden kann.
Setzung zu erreichen beginnt. Da in einem einen Auch ist eine Injektions-Rekombinations-Strahlenpn-Übergang
enthaltenden Halbleiterkörper die Mi- quelle 41 mit einem Halbleiterkörper aus Galliumnoritätsladungsträger
den Photostrom verursachen, 60 arsenid verwendbar. Eine solche Strahlenquelle kann
nimmt dabei der Photostrom in superlinearem Ver- Strahlung mit der Wellenlänge von etwa 9100 A
hältnis zu. emittieren, die gleichfalls mittels der besprochenen
Mit einem mit den Kontakten 31 und 32 ver- Plättchen 20 und 30 detektiert werden kann,
sehenen Plättchen 30 wurden tatsächlich der Fig. 3 Es ist einleuchtend, daß bei Verwendung von
sehenen Plättchen 30 wurden tatsächlich der Fig. 3 Es ist einleuchtend, daß bei Verwendung von
ähnliche Kennlinien erreicht, und bei Anwendung 65 Injektions - Rekombinations - Strahlenquellen diese
des Plättchens 30 mit den Kontakten 31 und 32 kann Strahlenquelle und der lichtempfindliche Halbleiterdie
gleiche Strahlung 6 angezeigt werden wie im körper einen gemeinsamen Halbleiterkörper haben
vorhergehenden Ausführungsbeispiel unter Anwen- können.
Bemerkt wird, daß die Frequenz, mit der ein lichtempfindlicher
Halbleiterkörper optische Signale anzeigen kann, um so größer ist, je kleiner die Lebensdauer
der zum Photostrom beitragenden erzeugten Ladungsträger ist, während die Empfindlichkeit dagegen
mit einer kürzeren Lebensdauer abnimmt. Man muß daher immer auf einen Kompromiß zurückgreifen,
da hohe zu detektierende Frequenzen und eine hohe Empfindlichkeit nicht gut miteinander
vereinbar sind. Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung tritt durch die erwähnte superlineare Zunahme
des Photostromes in Abhängigkeit von der Intensität der HilfsStrahlung eine hohe Empfindlichkeit
auf. Bevor diese superlineare Zunahme beginnt, ist die Lebensdauer der erzeugten Ladungsträger
klein und nach dieser superiinearen Zunahme viel größer. Diese viel größere Lebensdauer kann aber
noch stets sehr klein sein. Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit eines viel günstigeren Kompromisses
der obenerwähnten Art, als es bei bekannten Vorrichtungen möglich ist. Die Empfindlichkeit einer
Vorrichtung nach der Erfindung hängt nicht nur von der absoluten Lebensdauer der Ladungsträger ab,
aber vielmehr vom Unterschied der Lebensdauer, der bei der superlinearen Zunahme auftreten kann.
Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt
ist und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Änderungen möglich sind. So sind andere
Kombinationen von Halbleitermaterialien und Störstellen als die erwähnten verwendbar. Ferner kann
Strahlung nachgewiesen werden, die Elektronen aus dem Pegel 12 der F i g. 3 zum Leitungsband A oder
aus dem Valenzband C zum Pegel 12 bringen kann. Auch kann z. B. ein weiterer Pegel im verbotenen
Band B vorhanden sein, über den Ladungsträger den Pegel 11 oder 12 erreichen können.
Claims (15)
1. Vorrichtung mit einer Hilfsstrahlungsquelle und einem strahlungsempfindlichen Halbleiterkörper
zum Nachweis elektro-magnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper sowohl Elektronen als auch
Löcher einfangende Störstellen aufweist, die bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung innerhalb
eines Intensitätsbereiches eine steile Zunahme des Photostromes bewirken, und daß die
Quantenenergie der Strahlung der Hilfsstrahlungsquelle
so bemessen ist, daß freie Locher und Elektronen in dem Halbleiterkörper erzeugt werden,
und daß die Intensität der Hilfsstrahlung auf den erwähnten Bereich der steilen Zunahme des
Photostromes des Halbleiterkörpers eingestellt ist und daß ferner das verbotene Energieband des
Halbleiterkörpers breiter ist als der Quantenenergie der nachzuweisenden Strahlung entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiepegel der Elektronen
einfangenden Störstellen über dem Fermipegel und der Energiepegel der Löcher einfangenden
Störstellen unter dem Fermipegel liegt und die Störstellen in solcher Konzentration vorhanden
sind, daß der bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung im Halbleiterkörper auftretende
Photostrom zunächst durch das Einfangen erzeugter Elektronen und Löcher in die Störstellen
beschränkt wird und dann steil dadurch zunimmt, daß die Besetzung wenigstens eines der genannten
Pegel durch eingefangene Ladungsträger maximal zu werden beginnt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen in solchen
Konzentrationen vorhanden sind, daß bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung der
Photostrom dadurch steil zunimmt, daß die Besetzung der Elektronen einfangenden Störstellen
durch eingefangene Elektronen maximal zu werden beginnt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen in solcher
Konzentration vorhanden sind, daß bei zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung der
Photostrom dadurch steil zunimmt, daß die Besetzung der Löcher einfangenden Störstellen
durch eingefangene Löcher maximal zu werden beginnt.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper einen pn-übergang aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur in der Umgebung des pn-Überganges
der Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen über dem Fermipegel liegt,
während der Energiepegel der Löcher einfangenden Störstellen unter dem Fermipegel liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen
wenigstens in dem an den pn-übergang angrenzenden p-leitenden Teil des Halbleiterkörpers
vorhanden sind und die Hilfsstrahlung und die nachzuweisende Strahlung diesem Teil des Halbleiterkörpers
zugeführt werden.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper aus Galliumphosphid besteht und die Löcher einfangenden
Störstellen durch Dotierung mit Kupfer erzielt sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Störstellen wenigstens in dem an den pn-übergang angrenzenden n-leitenden
Teil des Halbleiterkörpers vorhanden sind und die Hilfsstrahlung und die nachzuweisende Strahlung
diesem Teil des Halbleiterkörpers zugeführt werden.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfsstrahlungsquelle mit dem Halbleiterkörper eine bauliche Einheit bildet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der nachzuweisenden
elektro-magnetischen Strahlung mit der Hilfsstrahlungsquelle und dem photoempfindlichen
Halbleiterkörper eine bauliche Einheit bildet.
12. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3, 5 bis 8
und 10,11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens teilweise aus
Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Valenzband zu dem Energiepegel der Löcher einfangenden
Störstellen bringen kann und dadurch den
von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verringert.
13. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3, 5 bis 8
und 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens teilweise
aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen
zum Leitungsband bringen kann und so den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom
verstärkt.
14. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6
und 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens teilweise
aus Strahlung besteht, die Elektronen von dem
Energiepegel der Elektronen einfangenden Störstellen zum Leitungsband bringen kann und dadurch
den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verringert.
15. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6
und 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzuweisende Strahlung wenigstens teilweise
aus Strahlung besteht, die Elektronen aus dem Valenzband zu dem Energiepegel der Löcher einfangenden
Störstellen bringen und dadurch den von der Hilfsstrahlung erzeugten Photostrom verstärkt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 211836, 863 535.
Deutsche Patentschriften Nr. 211836, 863 535.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 747/449 1.68 ® Bundesdruckerei Berlin
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|---|---|---|---|
| NL6411983A NL6411983A (de) | 1964-10-15 | 1964-10-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1260042B true DE1260042B (de) | 1968-02-01 |
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ID=19791243
Family Applications (1)
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| DE2030065A1 (de) * | 1969-06-18 | 1971-05-13 | Semiconductor Res Found | Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer optischen Umwandlung |
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| DE211836C (de) * | ||||
| DE863535C (de) * | 1940-08-25 | 1953-01-19 | Patra Patent Treuhand | Verfahren zur Beeinflussung des photoelektrischen Widerstandes von Halbleiter-Leuchtstoffen |
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- 1964-10-15 NL NL6411983A patent/NL6411983A/xx unknown
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- 1965-10-15 BE BE671002A patent/BE671002A/xx unknown
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| Publication number | Publication date |
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| ES318441A1 (es) | 1966-05-01 |
| US3470379A (en) | 1969-09-30 |
| BE671002A (de) | 1966-04-15 |
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| NL6411983A (de) | 1966-04-18 |
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