DE1277457B - Strahlungsnachweisgeraet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-29/10

Nummer: 1277457

Aktenzeichen: P 12 77 457.1-33 (N 26191)

Anmeldetag: 9. Februar 1965

Auslegetag: 12. September 1968

Die Erfindung betrifft ein Strahlungsnachweisgerät mit einem photoempfindlichen Halbleiterkörper, dem sowohl eine anregende Strahlung zugeführt wird, die freie Ladungsträger erzeugt, als auch eine langwelligere, nachzuweisende Strahlung zugeführt wird, die die Lebensdauer der freien Ladungsträger herabsetzt.

Bei einem solchen Gerät ist auf beiden Seiten des pn-Überganges der photoempfindliche Körper mit einem Anschlußkontakt versehen, während die nachzuweisende Strahlung in der Umgebung des pn-Überganges, im allgemeinen innerhalb weniger Diffusionslangen der freien Ladungsträger vom pn-übergang ab, auf den Halbleiterkörper fällt. Die auffallende Strahlung erzeugt eine elektrische Spannung an den Elektroden und/oder einen elektrischen Strom in einem äußeren Kreis zwischen den Elektroden, wobei der Wert dieser Spannung und/oder Stromes ein Maß für die Intensität der auffallenden Strahlung ist. Der pn-übergang kann auch in der Rückwärtsrichtung vorgespannt sein, wobei der von der auffallen- ao den Strahlung herbeigeführte Strom gemessen wird.

Die nachzuweisende Strahlung soll freie Ladungsträger im photoempfindlichen Halbleiterkörper erzeugen können, die eine Photospannung und/oder einen Photostrom veranlassen. Die freien Ladungsträger können z. B. dadurch erzeugt werden, daß die Strahlung eine Quantenenergie hat, die genügt, um Elektronen im photoempfindlichen Halbleiterkörper aus dem Valenzband in das Leitungsband zu bringen. Hierbei ergeben sich sowohl freie Elektronen im Leitungsband als auch freie Löcher im Valenzband.

Eine Strahlung mit einer Quantenenergie, die genügt, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu bringen, hat eine Quantenenergie, die mindestens gleich der Breite des verbotenen Bandes im Halbleiterkörper ist. Dies bedeutet, daß auf diese Weise eine Strahlung mit einer großen Wellenlänge, wie rote Strahlung und Ultrarotstrahlung, d.h. eine Strahlung mit einer geringen Quantenenergie, nur mittels eines einen pn-übergang enthaltenden photoempfindlichen Halbleiterkörpers mit einer kleinen Breite des verbotenen Bandes nachweisbar ist.

Dies bedeutet, daß man dem photoempfindlichen Halbleiterkörper nur geringe Leistungen entnehmen kann, während die Temperaturabhängigkeit verhältnismäßig groß sein kann, denn mit zunehmender Breite können zunehmende Leistungen entnommen werden, während im allgemeinen die Temperaturabhängigkeit abnimmt.

Ein photoempfindlicher Halbleiterkörper mit einer Strahlungsnachweisgerät

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dr. Herman Georg Grimmeiss, 5100 Aachen

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 12. Februar 1964 (64 01190)

größeren Breite des verbotenen Bandes ist dadurch verwendbar, daß eine Dotierungssubstanz eingebaut wird, die ein tiefliegendes Zwischenniveau im verbotenen Band herbeiführt, so daß Elektronen in zwei Übergangsstufen über das Zwischenniveau aus dem Valenzband in das Leitungsband gebracht werden können. Dabei können bei kleinerer Temperaturabhängigkeit größere Leistungen entnommen werden. Es tritt jedoch der Nachteil auf, daß für jedes zu erzeugende Elektron-Loch-Paar nicht ein, sondern zwei Strahlungsquanten der nachzuweisenden Strahlung erforderlich sind, und zwar ein Strahlungsquant, um ein Elektron aus dem Valenzband zum Zwischenniveau zu bringen, und ein zweites Strahlungsquant, um das Elektron vom Zwischenniveau in das Leitungsband zu bringen. Überdies ist der Wirkungsgrad des Prozesses hinsichtlich der Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares über ein Zwischenniveau, wenn die nachzuweisende Strahlung praktisch monochromatisch ist, verhältnismäßig gering, weil die beiden Übergangsstufen im allgemeinen ungleich groß sind.

Es sind Halbleitermaterialien bekannt, in denen mit Hilfe von Strahlung Photoleitung erzielbar ist, die mit Hilfe einer Strahlung mit einer größeren Wellenlänge als die die Photoleitung herbeiführende Strahlung verringert werden kann. Diese Erscheinung wird in der Literatur mit »quenching« bezeichnet.

Obwohl »quenching« bei Photoleitung allgemein bekannt ist (z. B. aus der deutschen Patentschrift 863 535), wurde bisher noch kein »quenching« eines in einem photoempfindlichen Halbleiterkörper mit

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einem pn-übergang erzeugten Photostroms mit Hilfe Nachweisen von Ultrarotstrahlung mit Hilfe eines auffallender Strahlung nachgewiesen. einen pn-übergang enthaltenden photoempfindlichen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterkörpers, bei denen dieser Halbleiterkörper Strahlungsnachweisgerät, insbesondere für lang- eine Breite des verbotenen Bandes hat, die höchstens wellige Strahlung, wie Rot- und Ultrarotstrahlung, 5 gleich der Quantenenergie der nachzuweisenden zu schaffen, das neben einer hohen Empfindlichkeit Strahlung ist, gering ist, denn die zu entnehmende in einem breiten Wellenlängenbereich auch eine ge- Leistung nimmt bei zunehmender Breite des verringe Temperaturabhängigkeit aufweist und die Ent- botenen Bandes zu, während hierbei im allgemeinen nähme großer Leistungen gestattet. die Temperaturabhängigkeit abnimmt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß io Es stellt sich weiter heraus, daß der erwähnte bei einer Verringerung der Photoleitung durch auf- Galliumphosphidkörper einen weiten Empfindlichfallende Strahlung diese Verringerung dadurch auf- keitsbereich hat und für Ultrarot- und Rotstrahlung tritt, daß die auffallende Strahlung die Lebensdauer mit einer Quantenenergie von etwa 0,6 eV bis zu der freien Ladungsträger, meistens die der Majori- etwa 2,0 eV empfindlich ist.

tätsladungsträger verkürzt, während der in einem 15 Die Meinung besteht, daß die Herabsetzung des photoempfindlichen Halbleiterkörper mit einem Photostromes durch auffallende Strahlung auf den pn-übergang erzeugte Photostrom stark von der folgenden Vorgängen beruht. Lebensdauer der Minoritätsladungsträger abhängig Im p-leitenden Teil des Galliumphosphidkörpers

ist und zur Herabsetzung des Photostromes in die- führt die Dotierung mit Kupfer ein Akzeptorniveau sem Fall durch die auffallende Strahlung die Lebens- 20 herbei, das in einem Abstand von etwa 0,57 eV vom dauer der Minoritätsladungsträger verkürzt werden Valenzband liegt. Wenn z. B. mit einer Strahlung mit muß. Mit anderen Worten gesagt, Herabsetzung einer Wellenlänge von etwa 5000 A freie Ladungs-(»quenching«) eines in einem photoempfindlichen träger im p-leitenden Teil erzeugt werden, wird die Halbleiterkörper mit einem pn-übergang erzeugten Lebensdauer der erzeugten Minderheitsträger (Elek-Photostroms durch auffallende Strahlung ist möglich, 25 tronen) durch die Rekombination von Elektronen wenn der Halbleiterkörper wenigstens auf einer Seite mit Löchern bestimmt. Diese Rekombination kann des pn-Überganges aus einem Material besteht, in durch Band-Band-Übergänge stattfinden und weiter dem die Lebensdauer der freien Minoritätsladungs- stark durch Rekombinationszentren (»killers«) beträger mit Hilfe von Strahlung verkürzt werden kann. einfhißt werden, die üblicherweise im Halbleiter-Ausgehend von dieser Erkenntnis, wird die ge- 30 material vorhanden sind, da sie bei der Herstellung nannte Aufgabe bei einem Strahlungsnachweisgerät von Galliumphosphid praktisch nicht vermieden wermit einem photoempfindlichen Halbleiterkörper, dem den können, und die außerdem erforderlichenfalls sowohl eine anregende Strahlung zugeführt wird, die bei der Herstellung absichtlich eingebaut werden freie Ladungsträger erzeugt, als auch eine lang- können, während das durch Kupfer herbeigeführte welligere, nachzuweisende Strahlung zugeführt wird, 35 Akzeptorniveau die Rekombination praktisch nicht die die Lebensdauer der freien Ladungsträger herab- beeinflußt, weil der Einfangquerschnitt der nicht besetzt, dadurch gelöst, daß durch die anregende setzten Kupferzentren für freie Elektronen klein ist. Strahlung der Strahlungsquelle an einem pn-übergang Das durch Kupfer herbeigeführte Akzeptorniveau ist des Halbleiterkörpers freie Minoritätsladungsträger wenigstens zu einem großen Teil nicht mit Elektroerzeugt werden, deren Lebensdauer durch die nach- 40 nen besetzt, weil das Ferminiveau zwischen dem zuweisende, langwelligere Strahlung herabgesetzt Akzeptorniveau und dem Valenzband liegt, wird. Wird der p-leitende Teil jetzt mit Ultrarot- oder

Daß es zur Realisierung eines solchen Strahlungs- Rotstrahlung einer Quantenenergie, die mindestens nachweisgerätes geeignete Halbleitermaterialien gibt, gleich 0,57 eV ist, bestrahlt, so werden von dieser ist durch im Zusammenhang mit der Erfindung 45 Strahlung Elektronen aus dem Valenzband in das durchgeführte Versuche nachgewiesen worden. Diese Akzeptorniveau gebracht. Hierdurch nimmt, die Versuche bezogen sich auf einen photoempfindlichen , Löcherkonzentration im Valenzband zu, wodurch Halbleiterkörper aus Galliumphosphid mit einemr' die Rekombination von Elektronen mit Löchern gepn-Übergang, wobei der p-leitende Teil dieses-Kör- fördert wird. Infolgedessen wird die Lebensdauer der pers mit Kupfer dotiert war. Ein Photostrom wurde 50 freien Elektronen (Minderheitsträger) verkürzt, was durch Bestrahlung mit einer Strahlung mit einer eine Herabsetzung eines Photostromes zur Folge hat, Wellenlänge von etwa 5000A erzeugt. Dann wurde weil der dureh Bestrahlung des p-leitenden Teiles der p-leitende Teil des Galliumphosphidkörpers auch erzeugte Photostrom proportional der Lebensdauer mit Ultrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von der freien Elektronen ist.

etwa 1,2 μ bestrahlt. Hierdurch wurde der Photo- 55 Es dürfte einleuchten, daß sich andere Halbleiterstrom stark herabgesetzt. Es wurde eine Herab- materialien und/oder Dotierungen finden können, setzung des Photostromes bis auf ein Tausendstel des bei denen auf ähnliche Weise wie bei p-leitendem, ursprünglichen Wertes erzielt, während es sich auch mit Kupfer dotiertem Galliumphosphid durch Beherausstellte, daß auf diese Weise das Vorhandensein strahlung eine Verkürzung der Lebensdauer von von Ultrarotstrahlung besonders empfindlich nach- 60 Minderheitsträgern erreichbar ist, während weiter weisbar war. wahrscheinlich Halbleitermaterialien gefunden wer-

Die Ultrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von den können, bei denen durch Bestrahlung eine Veretwa 1,2 μ hat eine Quantenenergie von etwa 1 eV, kürzung der Lebensdauer von Minderheitsträgern was erheblich weniger als die Breite des verbotenen erzielbar ist, bei denen jedoch andere als die beBandes (etwa 2,25 eV) in Galliumphosphid ist. Dies 65 sehriebenen Vorgänge im Halbleitermaterial eine bedeutet, daß große Leistungen entnommen werden Rolle spielen.

können, während dennoch die Temperaturabhängig- In Anbetracht des Vorstehenden ist eine wichtige

keit im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen zum Weiterbildung einer Vorrichtung nach der Erfindung

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dadurch gekennzeichnet, daß der an den pn-Über- Seite des pn-Überganges aus einem Halbleitermategang angrenzende p-leitende Teil des photoempfind- rial besteht, in dem freie Ladungsträger, darunter liehen Halbleiterkörpers aus einem Halbleitermaterial Minderheitsträger, durch Bestrahlung durch die besteht, in dem freie Ladungsträger, darunter Minder- Strahlungsquelle erzeugt werden können, während heitsträger (Elektronen), mit Hilfe von Strahlung 5 die Lebensdauer der im Halbleitermaterial vorhandeder Strahlungsquelle erzeugt werden können, wobei nen freien Minderheitsträger mit Hilfe von Strahlung die Lebensdauer der erzeugten Minderheitsträger von mit einer größeren Wellenlänge als die der die erder Rekombination von Elektronen mit Löchern ab- wähnten freien Ladungsträger erzeugenden Strahlung hängt, während das Halbleitermaterial weiter ein verkürzt werden kann, während Mittel vorgesehen diese Rekombination praktisch nicht beeinflussendes io sind, die es ermöglichen, dem photoempfindlichen Akzeptorniveau enthält, wobei das Ferminiveau zwi- Halbleiterkörper nachzuweisende optische Signale sehen diesem Akzeptorniveau und dem Valenzband zuzuführen. Diese Mittel können z.B. aus einer Linse Hegt und die nachzuweisenden optischen Signale oder einem Fenster bestehen, die bzw. das in einer wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus Strahlung Hülle der baulichen Kombination angebracht ist und bestehen, die Elektronen aus dem Valenzband zum 15 durch die bzw. das nachzuweisende optische Signale Akzeptomiveau zu bringen vermag, wodurch die den photoempfindlichen Halbleiterkörper erreichen Löcherkonzentration im Valenzband erhöht wird, können.

was die Rekombination von Elektronen mit Löchern Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

fördert und die Lebensdauer von Minderheitsträgern Zeichnung näher erläutert, in der
(Elektronen) verkürzt. so F i g. 1 schematisch und teilweise im Querschnitt

Weiter ist eine besonders erfolgreiche Ausgestal- ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsnachweistang einer Vorrichtung nach der Erfindung dadurch vorrichtung nach der Erfindung zeigt,
gekennzeichnet, daß der photoempfindliche Halb- F i g. 2 zwei Strom-Spannungs-Kennlinien eines in

ieiterkörper aus Galliumphosphid besteht, wobei der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendeten photowenigstens in dem an den pn-übergang grenzenden 25 empfindlichen Halbleiterkörpers darstellt, die bei Bep-leitenden Teil des photoempfindlichen Halbleiter- strahlung mit verschiedenen Strahlungsarten erhalten körpers mit Hilfe der Strahlungsquelle freie Ladungs- worden sind,

träger, darunter Minderheitsträger (Elektronen), er- Fig. 3 ein Energiebändermodell eines in einem

zeugt werden können, während der p-leitende Teil Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erein durch Dotierung mit Kupfer erhaltenes Akzeptor- 30 findung verwendeten photoempfindlichen Halbleiterniveau enthält und dem p-leitenden Teil nachzu- körpers zeigt,

weisende optische Signale zugeführt werden, die F i g. 4 schematisch und im Querschnitt ein Aus-

wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus Strahlung führungsbeispiel eines photoempfindlichen HaIbmit einer Quantenenergie bestehen, die mindestens leiterkörpers mit einer Injektions-Rekombinationsgleich dem Abstand zwischen dem Akzeptorniveau 35 Strahlungsquelle zeigt und

und dem Valenzband ist, welcher Abstand etwa F i g. 5 schematisch und im Querschnitt ein Aus-

0,57 eV beträgt. führungsbeispiel eines photoempfindlichen Halbleiter-

Die Strahlungsquelle kann eine beliebige Strah- körpers und einer Injektions-Rekombinations-Strahiungsquelle sein, die eine Strahlung der erwünschten lungsquelle mit einem gemeinsamen Halbleiterkörper Wellenlänge liefert, z. B. eine mit einem Mono- 40 zeigt.

chromator, wie einem Interferenzfilter, versehene Die Strahlungsnachweisvorrichtung nach Fig. 1

Wolframbogenlampe. Vorzugsweise ist die Strah- enthält einen Strahlungsdetektor (1, 20) mit einem lungsquelle jedoch eine Injektions-Rekombinations- einen pn-übergang 3 enthaltenden photoempfmd-Strahlungsquelle, was einen sehr gedrängten Zusam- liehen Halbleiterkörper 2, dem die zu demodulierende menbau mit dem Halbleiterkörper ermöglicht. 45 Strahlung 38 zugeführt wird. Der photoempfindliche

Die Rekombinationsstrahlungsquelle kann vorteil- Halbleiterkörper 2 besteht wenigstens auf einer Seite haft einen einen pn-übergang enthaltenden Halb- des pn-Überganges 3 aus einem Halbleitermaterial, ieiterkörper aus Galliumphosphid haben, von dem in dem mit Hilfe einer Strahlung freie Ladungsträger, wenigstens der an den pn-übergang grenzende darunter Minderheitsträger, erzeugt werden können, p-leitende Teil mit Zink dotiert ist. 50 während die Lebensdauer der im Halbleitermaterial

Die Strahlungsquelle und der photoempfindliche vorhandenen freien Minderheitsträger mit Hilfe einer Halbleiterkörper sind vorzugsweise zu einer baulichen Strahlung mit einer größeren Wellenlänge als die der Kombination zusammengebaut, beispielsweise in die freien Ladungsträger erzeugenden Strahlung vereiner gemeinsamen Hülle untergebracht, während, kürzt werden kann, wobei eine Strahlungsquelle 20 wenn die Strahlungsquelle eine Rekombinations- 55 vorgesehen ist, die den photoempfindliehen HaIbslrahlungsquelle ist, die Rekombmationsstrahlungs- Ieiterkörper 2 mit einer Strahlung 37 bestrahlt, die zu quelle und der photoempfindliche Halbleiterkörper wenigstens einem wesentlichen Teil aus der erwähnzweckmäßig einen gemeinsamen Halbleiterkörper ten, freie Ladungsträger erzeugenden Strahlung behaben. Dies erlaubt eine sehr gedrängte Bauart mit steht, während dem photoempfindliehen Halbleiterwenigen Anschlußkontakten. 60 körper 2 nachzuweisende optische Signale 38 zuge-

Eine weitere Ausbildung der Erfindung bezieht führt werden, die wenigstens zu einem wesentlichen sich auf einen Strahlungsdetektor zur Verwendung Teil aus der erwähnten, die Lebensdauer freier bei einer Vorrichtung nach der Erfindung, die da- Minderheitsträger verkürzenden Strahlung bestehen, durch gekennzeichnet ist, daß der Strahlungsdetektor Die Strahlungsquelle 39 ist eine beliebige Strah-

eine bauliche Kombination eines einen pn-übergang 65 lungsquelle, die eine Strahlung 38 emittiert, die nachentiiaitenden photoempfindlichen Halbleiterkörpers gewiesen werden soll.

und einer Strahlungsquelle enthält, wobei der photo- Bei einer erfolgreichen Weiterbildung der Vorempfindliche Halbleiterkörper wenigstens auf einer richtung nach der Erfindung besteht der photoemp-

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findliche Halbleiterkörper 2 aus Galliumphosphid. zwischen etwa 0,6 und 2,0 eV liegen, und hat somit Der photoempfindliche Halbleiterkörper 2 weist z. B. einen breiten Empfindlichkeitsbereich. Der Strahp-Leitung auf, während der pn-übergang 3 durch lungsdetektor (1, 20) hat eine besonders geringe Aufschmelzen des Anschlußkontaktes 5 erhalten ist. Temperaturabhängigkeit, während große Leistungen Im p-leitenden Teil 9 können mit Hilfe der Strah- 5 entnommen werden können. Dies ist unter anderem lung 37 der Strahlungsquelle 20 freie Ladungsträger, der großen Breite des verbotenen Bandes (etwa darunter Minderheitsträger (Elektronen), erzeugt 2,25 eV) des Galliumphosphidkörpers 2 im Verwerden. Da die Breite des verbotenen Bandes von gleich zur Quantenenergie (zwischen 0,6 und 2,0 eV) Galliumphosphid etwa 2,25 eV beträgt, können mit der nachzuweisenden Strahlung 38 zu verdanken, der Strahlung 37 mit einer Wellenlänge von etwa io In F i g. 2 stellt die Kurve α den Photostrom A in 5600 A freie Ladungsträger erzeugt werden. Die beliebigen Einheiten in Abhängigkeit von der Spanfreie Ladungsträger erzeugende Strahlung 37 kann nung V in Volt dar, die bei Bestrahlung des photoeriorderlichenf alls eine Wellenlänge aufweisen, die empfindlichen Halbleiterkörpers 2 mit einer Strahlung erheblich kleiner als 5600 A ist, z. B. eine Wellen- 37 mit einer Wellenlänge von etwa 4950 A an den länge von etwa 4400 A. Der p-leitende Teil 9 ist mit 15 Kontakten 5 und 7 auftritt. Bei gleichzeitiger BeKupfer dotiert. Das Kupfer gibt ein Akzeptorniveau, strahlung des photoempfindlichen Halbleiterkörpers 2 das im Abstand von etwa 0,57 eV vom Valenzband mit der Strahlung 38 mit einer Wellenlänge von etwa liegt. Die nachzuweisenden optischen Signale 38 wer- 1 μ (was ungefähr 1,2 eV entspricht) ergibt sich die den dem p-leitenden Teil 9 zugeführt und bestehen Kurve b. Die Strahlung 38 setzt den Photostrom A wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus einer 20 somit in hohem Maße herab.

Strahlung mit einer Quantenenergie, die mindestens Da der Photostrom stark von der Lebensdauer

gleich dem Abstand zwischen dem Akzeptorniveau der Minderheitsträger abhängig ist, verkürzt die und dem Valenzband (etwa 0,57 eV) ist. Ultrarot- oder Rotstrahlung 38 augenscheinlich die

Der Galliumphosphidkörper 2 hat beispielsweise Lebensdauer der Elektronen im p-leitenden Teil 9 Abmessungen von etwa 3 X 3 X 0,2 mm. Die Dotie- 35 des Galliumphosphidkörpers 2. Die Meinung besteht, rung mit Kupfer kann dadurch erfolgt sein, daß daß dies auf folgende Weise erklärbar ist. Kupfer bei einer Temperatur von etwa 800 bis Das Kupfer erzeugt ein Akzeptorniveau 41 (F i g. 3)

1000° C in den Galliumphosphidkörper 2 eindiffun- im verbotenen Band (III) in einem Abstand von etwa diert wird. Das Kupfer kann zunächst durch Auf- 0,57 eV vom Valenzband II. Das Halbleitermaterial dampfen, gegebenenfalls unter Erhitzung des GaI- 30 ist p-leitend, so daß praktisch keine Elektronen liumphosphidkörpers auf eine Temperatur von etwa (Minderheitsträger) im Leitungsband I vorhanden 350 bis 500⁰C, auf die Oberfläche des Gallium- sind. Mit Hilfe der Strahlung37 (Fig. 1) werden phosphidkörpers aufgebracht werden. Elektronen vom Valenzband II in das Leitungsband I

Der Anschlußkontakt 5 kann dadurch hergestellt gebracht. Diese Übergänge sind mit dem Pfeil 43 der sein, daß Zinn bei etwa 400 bis 700⁰C während 35 Fig. 3 angegeben. Die auf diese Weise im Leitungseiner Zeit, die vorzugsweise kleiner als 1 Sekunde ist, band I erhaltenen Elektronen führen den Photostrom aufgeschmolzen, wird. Hierbei ergibt sich das n-lei- herbei, der von der Lebensdauer dieser Elektronen tende rekristallisierte Gebiet 4 mit dem pn-Uber- abhängig ist. Diese Lebensdauer wird durch die Gegang 3. schwindigkeit bestimmt, mit der die Elektronen im Der praktisch ohmsche Anschlußkontakt 7 kann 40 Leitungsband I mit den Löchern im Valenzband II dadurch hergestellt sein, daß Gold, das etwa 4 Ge- rekombinieren. Die Elektronen können durch Bandwichtsprozent Zink enthält, bei der gleichen Tempe- Band-Übergänge (44) und/oder mittelbar über ein ratur und während der gleichen Zeit wie im Falle des Niveau 42, das durch ein Rekombinationszentrum Zinnkontaktes 5 aufgeschmolzen wird. Hierbei ergibt (»killer«) herbeigeführt wird, durch die Übergangssich das p-leitende rekristallisierte Gebiet 10. Die 45 stufen 45 und 46 das Valenzband II erreichen. ReKontakte 5 und 7 haben z.B. einen Durchmesser kombinationszentren sind im allgemeinen im HaIb-(parallel zur Oberfläche des Halbleiterkörpers) von leitermaterial vorhanden, während erforderlichenfalls etwa 0,5 mm. auf eine übliche Weise die Konzentration an Re-

Der photoempfindliche Halbleiterkörper 2 zu- lcombinationszentren erhöht werden kann, sammen mit den Kontakten 5 und 7 ist mit 1 be- 50 Eine Rekombination kann auch über das Kupferzeichnet. " niveau 41 stattfinden, aber diese ist langsam im Ver-Die Kontaktes und 7 können auf eine in der gleich zu der Rekombination durch Band-Band-Halbleitertechnik übliche Weise mit Anschluß- Übergänge (43) und/oder der Rekombination über leitern 6 und 8 versehen sein. das Niveau 42 durch die Übergangsstufen 45 und 46. An die Leiter 6 und 8 kann ein Meßinstrument 40 55 Das Kupferniveau 41 hat somit praktisch keinen zum Messen des Photostromes angeschlossen sein. Einfluß auf die Rekombination und auf die Lebens-Wenn der photoempfindliche Halbleiterkörper 1 dauer der Elektronen im Leitungsband, mit der Strahlung37 bestrahlt wird, ergibt sich ein Mittels der Strahlung 38 (Fig. 1) mit einer vom Meßinstrument 40 angezeigter Photostrom. Wellenlänge, die größer als die der freie Ladungs-Werden dann dem photoempfindlichen Halbleiter- 60 träger erzeugenden Strahlung 37 ist, aber mit einer körper 1 optische Signale 38 zugeführt, so kann der Quantenenergie, die mindestens gleich dem Abstand Photostrom bis auf etwa ein Tausendstel des ur- des vom Kupfer herbeigeführten Akzeptorniveaus 41 sprünglichen Wertes abfallen. Mit anderen Worten, vom Valenzband (etwa 0,57 eV) ist, können Elekdie photoempfindlichen Halbleiterkörper 1 und die tronen aus dem Valenzband durch den Übergang 47 Strahlungsquelle 2 bilden zusammen einen besonders 6g in das Kupferniveau 41 gebracht werden. Hierdurch empfindlichen Strahlungsdetektor. Dieser Strahlungs- wird die Löcherkonzentration im Valenzband erhöht detektor (1, 20) ist empfindlich für Ultrarot- und und, da die Rekombinationsgeschwindigkeit auch Rotstrahlung 38 mit Quantenenergien, die im Bereich von der Löcherkonzentration im Valenzband ab-

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hängt, wird die Rekombination zwischen Elektronen Es sei bemerkt, daß die Strahlungsquelle 20 erfor-

und Löchern beschleunigt, was die Lebensdauer der derlichenfalls auch ein Injektions-Rekombinations-Elektronen im Leitungsband verkürzt. Es hat sich Laser sein kann.

herausgestellt, daß sich der Photostrom tatsächlich Der photoempfindliche Halbleiterkörper 2 mit den

nur mit einer Strahlung mit einer Quantenenergie, 5 Anschlußkontakten 5 und 7 und die Strahlungsquelle die mindestens gleich etwa 0,57 eV ist, herabsetzen 20, die zusammen einen Strahlungsdetektor (1, 20) läßt. bilden, sind vorzugsweise zu einer baulichen Kombi-

Um Elektronen durch den Übergang 47 in das nation zusammengebaut. Es kann eine (schematisch Kupferniveau 41 bringen zu können, muß dieses durch die gestrichelte Linie 35 angegebene) gemein-Kupferniveau 41 wenigstens großenteils unbesetzt io same Hülle vorhanden sein. Die bauliche Kombisein und muß somit das Ferminiveau zwischen dem nation enthält Mittel, z. B. eine öffnung 36 in der Kupferniveau 41 und dem Valenzband II liegen. Die Hülle 35, in der ein Fenster oder eine Linse ange-Lage des Ferminiveaus läßt sich bekanntlich durch bracht sein kann, die es ermöglichen, dem photodie Dotierung des Halbleiterkörpers regeln. empfindlichen Halbleiterkörper 2 nachzuweisende

Es dürfte einleuchten, daß man außer mit Kupfer 15 optische Signale 38 zuzuführen.

dotiertem p-leitendem Galliumphosphid andere In dem an Hand der F i g. 1 beschriebenen Aus-

Halbleitermaterialien und/oder Dotierungssubstanzen führungsbeispiel sind die pn-Ubergänge 3 und 22 finden kann, bei denen durch Vorgänge der eben durch Aufschmelzen der Kontakte 5 bzw. 24 erbeschriebenen Art die Lebensdauer von Minderheits- halten. Es können jedoch auch durch Diffusion und/ trägern verkürzt werden kann. Allgemein gesagt 20 oder Epitaxialverfahren hergestellte pn-Übergänge müssen dabei die folgenden Anforderungen erfüllt Verwendung finden. Eine Ausführungsform mit werden. einem photoempfindlichen Halbleiterkörper 50, der

Der an den pn-übergang (F i g. 1) grenzende mit einem durch Diffusion oder ein Epitaxialverfahp-leitende Teil 9 des photoempfindlichen Halbleiter- ren hergestellten pn-übergang 51 versehen ist und eine körpers 2 muß aus einem Halbleitermaterial be- 25 Injektions-Rekombinations-Strahlungsquelle 60 mit stehen, in dem mit Hilfe der Strahlung 37 der Strah- einem Halbleiterkörper 61, der ebenfalls mit einem lungsquelle 20 freie Ladungsträger, darunter Minder- durch Diffusion oder ein Epitaxialverfahren hergeheitsträger (Elektronen), erzeugt werden können, wo- stellten pn-übergang versehen ist, ist schematisch in bei die Lebensdauer der erzeugten Minderheitsträger F i g. 4 dargestellt. Die nachzuweisende Strahlung ist von der Rekombination von Elektronen mit Löchern 30 mit 38 und die Strahlung der Strahlungsquelle 60 abhängig ist, während das Halbleitermaterial weiter mit 37 bezeichnet.

ein diese Rekombination praktisch nicht beeinflus- Der photoempfindliche Halbleiterkörper 50 be-

sendes Akzeptorniveau 41 enthält, wobei das Fermi- steht z. B. wieder aus mit Kupfer dotiertem Galliumniveau zwischen diesem Akzeptorniveau 41 und dem phosphid, während auf eine in der Halbleitertechnik Valenzband II liegt und die nachzuweisenden opti- 35 übliche Weise auf diesem p-leitenden Körper 50 eine sehen Signale aus einer Strahlung 38 bestehen, die η-leitende epitaxiale Galliumphosphidschicht 52, die Elektronen aus dem Valenzband II zum Akzeptor- beispielsweise mit Sauerstoff dotiert ist, angebracht niveau 41 zu bringen vermag, wodurch die Löcher- ist, wobei sich der pn-übergang 51 ergibt. Der Körkonzentration im Valenzband II erhöht wird, was per 50 und die Schicht 51 sind mit Anschlußleitern die Rekombination von Elektronen mit Löchern 40 53 bzw. 54 versehen.

fördert und die Lebensdauer der Minderheitsträger Der pn-übergang 51 kann auch durch Diffusion

(Elektronen) verkürzt. einer Dotierungssubstanz in den photoempfindlichen

Die Strahlungsquelle 20 ist vorzugsweise eine In- Halbleiterkörper erhalten sein. Es kann beispielsjektions-Rekombinations-Strahlungsquelle, die die weise Kupfer bei etwa 800 bis 1000° C in einen erwünschte Rekombinationsstrahlung 37 liefert. Die 45 η-leitenden Galliumphosphidkörper eindiffundiert Injektions-Rekombinations-Strahlungsquelle 20 kann werden.

z. B. aus oinem Galliumphosphidkörper 21 von etwa Der Halbleiterkörper 61 der Strahlungsquelle 60

3 X 3 X 0,2 mm bestehen, der durch Dotierung mit ist z. B. ein η-leitender Galliumphosphidkörper, in Zink p-leitend ist. Durch Aufschmelzen eines Zinn- dem durch Diffusion von Zink bei etwa 900° C der kontaktes 24 bei etwa 400 bis 700° C während einer 50 pn-übergang 62 hergestellt ist. Auch in diesem Fall Zeit, die vorzugsweise kleiner als 1 Sekunde ist, er- kann der pn-übergang 62 jedoch durch ein Epitaxialgeben sich das η-leitende rekristallisierte Gebiet 23 verfahren erhalten sein. Die Strahlungsquelle 60 ist und der pn-übergang 22. Der Zinnkontakt 24 hat mit Anschlußleitern 63 und 64 versehen,
z. B. einen Durchmesser von etwa 1,5 mm. Ein prak- Der photoempfindliche Halbleiterkörper 50 und

tisch ohmscher Kontakt 26 mit z. B. einem Durch- 55 die Strahlungsquelle 60 sind vorzugsweise wieder zu messer von etwa 0,5 mm ist durch Aufschmelzen einer baulichen Kombination zusammengebaut und von Gold mit etwa 4 Gewichtsprozent Zink unter können eine gemeinsame Hülle haben,
den gleichen Bedingungen, unter denen der Zinn- Der photoempfindliche Halbleiterkörper 50 und

kontakt 24 aufgeschmolzen ist, hergestellt. Die Kon- der Halbleiterkörper 61 der Strahlungsquelle 60 kontakte 24 und 26 sind auf eine übliche Weise mit 60 nen zweckmäßig Teile eines gemeinsamen Halbleiter-Anschlußleitern 25 und 27 versehen. körpers bilden. Ein Ausführungsbeispiel mit einem

Wird jetzt durch die Anschlußleiter 25 und 27 ein solchen gemeinsamen Halbleiterkörper 70 ist sche-Strom in der Vorwärtsrichtung durch den pn-Über- matisch in F i g. 5 dargestellt.

gang 22 geschickt, so entsteht die Rekombinations- Der Halbleiterkörper 70 besteht aus Galliumphos-

strahlung 37 mit einer Wellenlänge von etwa 5600 A, 65 phid und hat eine p-leitende, mit Kupfer dotierte die imstande ist, im p-leitenden Teil 9 des Gallium- Zone 71, eine η-leitende, z. B. mit Sauerstoff dotierte phosphidkörpers 2 freie Löcher und Elektronen zu Zone 72 und eine p-leitende, mit Zink dotierte Zone erzeugen. 73. Weiter sind zwei pn-Übergänge 74 und 75 vor-

handen, während die Zonen 71, 72 und 73 mit Anschlußleitern 76, 77 bzw. 78 versehen sind. Die Zonen 71 und 73 können z. B. durch Diffusion von Kupfer bzw. Zink in den ursprünglichen n-leitenden Halbleiterkörper 70 erhalten werden.

Der pn-übergang 75 wird über die Anschlußleiter 77 und 78 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt, wobei die Rekombinationsstrahlung 37 mit einer Wellenlänge von etwa 5600A erzeugt wird. Der Photostrom, der am pn-übergang 74 auftritt, wird über die to Anschlußleiter 76 und 77 entnommen. Dieser Photostrom kann durch die nachzuweisende Strahlung 38 herabgesetzt werden.

Es dürfte einleuchten, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß für den Fachmann im Rahmen der Erfindung manche Abänderungen möglich sind. Es kann beispielsweise der Photostrom, der im photoempfindlichen Halbleiterkörper2 (Fig. 1) von der Strahlungsquelle 20 erzeugt wird, mit Hilfe einer zu- so sammen mit dem Meßinstrument 40 an die Anschlußleiter 6 und 8 angeschlossenen Spannungsquelle ausgeglichen werden, so daß das Meßinstrument 40 keinen Strom anzeigt. Die nachzuweisenden Signale 38 setzen dabei den auszugleichenden Photostrom herab, wodurch infolge der Anwesenheit der Spannungsquelle ein Strom fließt, den das Meßinstrument 40 anzeigt. Bei Strahlungsnachweis ergibt sich dann statt eines abnehmenden Stromes ein zunehmender, vom Meßinstrument 40 angezeigter Strom. Weiter können Halbleiteroberflächen, auf die eine Strahlung fällt, und/oder Oberflächen, durch die eine Strahlung aus einem Halbleiter austreten soll, mit den in der Optik üblichen Antireflexschichten versehen sein. Auch ist es möglich, daß im photoempfindlichen Halbleiterkörper freie Ladungsträger nicht durch Band-Band-Übergänge, sondern dadurch erzeugt werden, daß Elektronen in zwei Übergangsstufen über ein im verbotenen Band liegendes zusätzliches Zwischenniveau aus dem Valenzband in das Leitungsband gebracht werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Strahlungsnachweisgerät mit einem photoempfindlichen Halbleiterkörper, dem sowohl eine anregende Strahlung zugeführt wird, die freie Ladungsträger erzeugt, als auch eine langwelligere, nachzuweisende Strahlung zugeführt wird, die die Lebensdauer der freien Ladungsträger herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die anregende Strahlung der Strahlungsquelle an einem pn-übergang des Halbleiterkörpers freie Minoritätsladungsträger erzeugt werden, deren Lebensdauer durch die nachzuweisende, langwelligere Strahlung herabgesetzt wird.

2. Strahlungsnachweisgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den pn-übergang grenzende p-leitende Teil des Halbleiterkörpers aus einem Material besteht, in dem mit Hilfe von Strahlung der Strahlungsquelle freie Ladungsträger, darunter Minoritätsladungsträger (Elektronen), erzeugt werden können, wobei die Lebensdauer der erzeugten Minoritätsladungsträger von der Rekombination von Elektronen mit Löchern abhängig ist, während das Halbleitermaterial weiter ein diese Rekombination praktisch nicht beeinflussendes Akzeptorniveau enthält, wobei das Ferminiveau zwischen diesem Akzeptorniveau und dem Valenzband liegt und die nachzuweisenden optischen Signale wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus Strahlung bestehen, die Elektronen aus dem Valenzband zum Akzeptorniveau zu bringen vermag, wodurch die Löcherkonzentration im Valenzband erhöht wird, was die Rekombination von Elektronen mit Löchern fördert und die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (Elektronen) verkürzt.

3. Strahlungsnachweisgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Galliumphosphid besteht, wobei wenigstens in dem an den pn-übergang grenzenden p-leitenden Teil des Halbleiterkörpers mit Hilfe der Strahlungsquelle freie Ladungsträger, darunter Minoritätsladungsträger (Elektronen), erzeugt werden können, während der p-leitende Teil ein durch Dotierung mit Kupfer erhaltenes Akzeptorniveau enthält und dem p-leitenden Teil nachzuweisende optische Signale zugeführt werden, die wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus Strahlung mit einer Quantenenergie bestehen, die mindestens gleich dem Abstand zwischen dem Akzeptorniveau und dem Valenzband ist, welcher Abstand etwa 0,57 eV beträgt.

4. Strahlungsnachweisgerät nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Injektions - Rekombinations - Strahlungsquelle ist.

5. Strahlungsnachweisgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektions- Rekombinations-Strahlungsquelle einen einen pnübergang enthaltenden Halbleiterkörper aus Galliumphosphid hat, von dem wenigstens der an den pn-übergang grenzende p-leitende Teil mit Zink dotiert ist.

6. Strahlungsnachweisgerät nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und der Halbleiterkörper eine bauliche Kombination bilden.

7. Strahlungsnachweisgerät nach Ansprach 4 oder 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und der Halbleiterkörper aus einem gemeinsamen Halbleiterkörper bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 863 535.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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