DE1280434B - Photoelement zur lichtelektrischen Lageanzeige - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-29/10

P 12 80 434.1-33 (B 72986)

3. August 1963

17. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Photoelement zur lichtelektrischen Lageanzeige mit einem P- und N-leitfähige Zonen aufweisenden Halbleiterkörper, bei dem die zwischen den an den Zonen angebrachten Elektroden gemessene Photospannung von der Lage eines auf den P-N-Übergang fallenden Lichtbündels abhängig ist.

Es ist bereits ein Photowiderstand bekannt, der eine Schicht Cadmiumsulfid enthält, die auf der einen Seite mit einem Widerstandsstreifen und auf der anderen Seite mit einer leitenden Schicht versehen ist. Fällt ein Lichtbündel gleichzeitig auf die drei Schichten, so wird in Abhängigkeit von der Lage des Lichtbündels der Widerstand zwischen den Schichten auf beiden Seiten des Cadmiumsulfids geändert. Es tritt jedoch insoweit ein Fehler auf, als der absolute Betrag des inneren Widerstandes des Cadmiumsulfids und der von der Lage des Lichtbündels abhängige Widerstand den Wirkungsgrad der Vorrichtung vermindert. Außerdem wird infolge des Widerstandes der aus Cadmiumsulfid bestehenden leitenden Schicht keine Linealität erzielt. Außerdem ist das Aufbringen einer einen gleichmäßigen Widerstand darstellenden Schicht auf der Oberfläche des Cadmiumsulfids schwierig. Die benötigte Lichtmenge ist verhältnismäßig groß. Schließlich läßt sich die bekannte Vorrichtung auch nicht in Miniaturbauelementen herstellen.

Ferner ist es zur Feststellung der Lage eines sich in einer Ebene bewegenden Lichtpunktes bekannt, die Seiten einer rechteckförmigen, dünnen mit einer geradlinig ausgebildeten Korngrenze versehenen Halbleiterplatte mit zwei Kontaktpaaren zu versehen. Beim Wandern des Lichtpunktes sowohl in Längsrichtung auf der Korngrenze als auch in Querrichtung wird eine in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des Lichtpunktes veränderliche Photospannung gemessen. Die Halbleiterplatte besteht aus Germanium, bei der sich an die Korngrenze mit P-Leitfähigkeit auf beiden Seiten Zonen mit N-Leitfähigkeit anschließen. Infolgedessen weist der Halbleiterkörper zwei Übergänge auf, die zueinander symmetrisch angeordnet sind, so daß in Berücksichtigung des Energiediagramms der Anordnung die in dem ersten Übergang gewonnene Energie im zweiten Übergang wieder verlorengeht (deutsche Auslegeschrift 1110338).

Es ist ferner ein Photoelement bekannt, das einen ähnlichen Aufbau aufweist und das die schlechte Energieausbeute etwas verbessert. Bei diesem Halbleiterkörper sind die beiden N-Zonen über eine Zwischenzone mit P-Leitfähigkeit miteinander verbun-Photoelement zur lichtelektrischen Lageanzeige

Anmelder:

The Bendix Corporation,

Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
2000 Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:
Thomas E. Thompson, Rochester, Mich.;
Herbert F. Matare,
Santa Monica, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 6. August 1962 (215 110)

den. Es sind nur Elektroden an den Zonen der N-Leitfähigkeit angeordnet. Die Energieausbeute

as wird dadurch etwas verbessert, daß eine Gleichspannungsquelle an die beiden Elektroden der gleichen Leitfähigkeit angelegt ist. Die beiden P-N-Übergänge sind jedoch gegeneinandergeschaltet, so daß sich die Energieausbeute dieser Anordnung aus der Differenz der in den beiden entgegengesetzt zueinander liegenden P-N-Übergängen gewonnenen Teilbeträgen ergibt. Deshalb ist auch bei dieser Anordnung der Energiegewinn nicht groß (deutsche Patentschrift 891580).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein Photoelement derart auszubilden, daß eine größere Energieausbeute erzielt wird. Diese Aufgabe ist bei einem Photoelement der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Elektrode eine sich parallel zum P-N-Übergang an der Zone des einen Leitfähigkeitstyps erstreckende Flächenelektrode und die andere Elektrode eine an der Zone des anderen Leitfähigkeitstyps angeordnete Punktelektrode ist. Somit ist nur ein einziger P-N-Übergang vorgesehen, auf dem das Lichtbündel wandert. Dadurch ist der Energiegewinn so groß, daß auf eine äußere Energiequelle verzichtet werden kann.

Die Meßgenauigkeit des Photoelements kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch erhöht werden, daß an den Enden der einen Zone

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zwei elektrische Kontakte angebracht sind, an die lichtete Verbindungszone effektiv kurzgeschlossen ist. zur Erzeugung eines parallel zu dem P-N-Übergang Der Halbleiter 20 muß an der Verbindungsstelle 21 verlaufenden Spannungsabfalls eine Gleichspan- genügend dünn sein, damit ihn der Lichtfleck 30 nungsquelle angeschlossen ist. vollständig durchdringen kann und so das Leistungs-

Merkmale einer weiteren Ausbildung der Erfin- 5 maximum erzielt werden kann. Für die meisten Halbdung gehen aus den Unteransprüchen hervor. leitefmateriälien liegt diese Dicke in der Größenord-Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind dung'eines Zentimeters. Es bilden sich elektrische nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Feldlinien 31 aus, welche im wesentlichen die Trä-Es zeigt "-..'■" gerbahnen wiedergeben, wenn die Spannung, wie vor-F i g. 1 ein rechteckförmiges Photoelement in einer io stehend beschrieben, angelegt wird, diese Bahnen ersten Ausführungsform, konzentrieren sich zum Durchdringen des P-N-Uber-Fig. 2 eine Darstellung der gemessenen Photo- ganges 21 an der Stelle, wo diese durch den Lichtspannung in Abhängigkeit von der Lage des Licht- fleck 30 beleuchtet wird. Diese Bahnen konzentrieren bündeis auf dem P-N-Übergang, sich bei 31 wegen des erhöhten Längswiderstandes, Fig. 3 ein Photoelement in perspektivischer Dar- 15 und durchdringen den Widerstandsteil des Halbstellung gemäß einer zweiten. Ausführungsform, leiters20 zwischen den Kontakten 23 und 24 an F i g. 4 ein zylindrisches Photoelenient gemäß einer einem Punkt,, welcher von der Lage des Lichtfleekes

dritten Ausführungsform.und .. 30 abhängt. "Wenn man den .Lichtfleck 30 nach unten

F i g. 5 ein zylindrisches Photoelement gemäß einer verschiebt, bewirkt die Konzentration der Bahnen 31 vierten Ausführungsform. 20 eine analoge Verschiebung, welche die durch ein

Gemäß Fig. 1 weist der Halbleiterkörper 20 aus . Voltmeter32 gemessene Ausgangsspannung vermin-Germanium oder Silizium eine erste Zone mit P-Leit- dert. ; .- - - . ■ . fähigkeit, die beispielsweise mit Bor dotiert ist, und Dieser Sachverhalt ist in der Fi g. 2 dargestellt, in eine zweite Zone mit N-Leitfähigkeit, die beispiels- der auf der Ordinate die von dem Voltmeter angeweise mit Arsen dotiert ist, auf .Zwischen den Zonen 25 zeigte Meßgröße aufgetragen ist, auf der Abszisse die P und N ist ein P-N-Übergang als Sperrschicht vor- Verschiebung des Lichtflecks, bezogen auf den Kongesehen. Eine Elächenelektrode.22, die beispielsweise takt 24. Bei dem dargestellten Photoelement betrug durch Plattierung hergestellt ist, befindet sich auf der die Entfernung zwischen den Klemmen 23 und 24 einen Endfläche des Halbleiterkörpers 20 und liegt 18,5 mm, die Spannung der Spannungsquelle betrug parallel zum P-N-Übergang 21; Die elektrischen 30 3 Volt. ■

Kontakte 23, 24 sind an den Enden der Zone mit Die Linearität zwischen der am Ausgang erschei-

P-Leitf ähigkeit angeordnet. Die P-Zone ist so dimen- nenden Spannung und der Bewegung des Lichtfleekes sioniert, daß sie einen bestimmten Widerstand zwi- kann vergrößert werden, wenn die Größe des HaIbschen den Kontakten 23 und 24 aufweist. Wenn z. B. leiters in der Nähe der Kontakte 23 und 24 verder Halbleiterkörper 20 einen Widerstand von 35 größert wird. Die Nichtlinearitäten, die man an den 100 Ohm/Zentimeter aufweist und wenn der Quer- Enden der Kurve in Fig. 2 feststellt, können kornschnitt der Zone P zwischen den P-N-Übergang 21 pensiert werden, indem der obere und der untere, und dem Kontakt 23 etwa 0,1 mm² ist, erhält man Teil der Zone N der Fig. 1 nicht mit einer leitenden einen Widerstand in. der Größenordnung von Schicht versehen werden. In der Fig. 3 ist eine lOOOOOÖhm zwischen den Kontakten 23 und 24 auf 40 zweite Ausführungsart der Erfindung dargestellt, bei jeden Zentimeter Länge. · . der der Halbleiter 35 eine erste Zone P besitzt, die

Zwischen die Kontakte 23 und 24 ist eine Span- mit Akzeptoren dotiert ist, und eine zweite ZoneiV, nungsquelle 26 gelegt, deren negativer Pol mit dem welche mit Donatoren dotiert ist, wobei die letztere Kontakt 23 verbunden ist, wodurch ein Spannungs- Zone in der Nähe des leitenden Belages 36 beträchtabfall entlang dem schematisch durch die gestrichelte 45 lieh vergrößert ist. Die Kontakte 37 und 38 sind an Linie 25 dargestellten Widerstand des Halbleiters gegenüberliegenden Flächen der Zone P angebracht, auftritt. Der Ausgangsstromkreis ist zwischen den und eine Spannungsquelle 39 ist mit diesen Kontakleitenden Belag und den positiven Pol der Span- ten verbunden. Eine Last 34 ist zwischen den leitennungsquelle 26 derart angeschlossen, daß ein nega- den Belag 36 und den positiven Pol der Spannungstives Potential entlang der Verbindung 21 entsteht. 50 quelle 39 geschaltet. Der Vorteil dieser Ausführungs-Wenn der leitende Belag 22 auf den Teil P des Halb- art besteht in der großen Oberfläche für den leitenleiters aufgebracht wäre, müßte der Ausgangsstrom- den Belag 36, welche sich für die Anbringung evenkreis mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 26 tueller Kontakte mit Teilen in der Umgebung des verbunden werden. . . Widerstandes anbietet. Die -Wirkungsweise dieser

Ein Lichtfleck 30 rechteckiger Gestalt, der von 55 Einrichtung ist identisch mit der nach Fig. 1. einer nicht dargestellten Lichtquelle herrührt, kann In Fig.4 ist eine dritte Ausführungsart der Er-

entlang dem P-N-Übergang 21 bewegt werden und findung dargestellt, bei der ein zylindrischer Halbist in der Figur in einer oberen Lage dargestellt. Die leiter 40 eine mittlere Zone P, welche mit Akzep-Wellenlänge des Lichtes, welches den Lichtfleck30 toren dotiert ist, und eine ZoneiV" an der Peripherie, erzeugt, muß an das Material am P-N-Übergang 21 60 welche mit Donatoren dotiert ist, sowie einen kreisangepaßt werden, wenn ein optimale Energieüber- förmigen P-N-Übergang 41 zwischen den beiden tragung zwischen dem Licht und den. Elektronen Zonen enthält. Eine derartige Einrichtung besitzt stattfinden soll. Wenn Germanium verwendet wird, den Vorteil einer erheblich kleineren Oberfläche für bewirken Lichtstrahlen mit einer Frequenz, die in der eine vorbestimmte Länge des P-N-Überganges. Ein Nähe des infraroten Bereichs liegt, eine Anregung 65 radial verlaufender Schlitz ist mit Ultraschall in den der Elektronen, so daß die Defektelektronenpaare Halbleiter 40 eingeschnitten, und Kontakte 43 und den P-N-Übergang verlassen und die Sperrwirkung 44 sind auf dem sich gegenüberliegenden Flächen des des P-N-Übergangs derart vermindern, daß die be- Schlitzes angebracht. Eine Last 46 ist zwischen der

negativen Klemme einer Spannungsquelle 45 und einem fest mit der Zone P des Halbleiters 40 verbundenen leitenden Belag angeschlossen. Ein Lichtfleck 48 beschreibt eine Kreisbewegung entlang des P-N-Überganges 41, um die Spannung in der Last 46 derart zu ändern, wie sie mit Bezug auf die F i g. 1 beschrieben wurde. Die Ausführungsart nach Fig.4 stellt einen Fotowiderstand verbesserter Leistung mit einer gedrängteren Bauweise dar, welcher gleichzeitig die Bewegung des Lichtfleckes auf eine Kreisbewegung reduziert.

In F i g. 5 ist eine weitere Ausführungsart beschrieben, in welcher der Halbleiter 50 eine erste ZoneiV, welche mit Donatoren dotiert ist, und eine zweite Zone P, welche mit Akzeptoren dotiert ist, sowie einen P-N-Übergang 51 zwischen den beiden Zonen enthält. Eine bestimmte Anzahl von Kontakten 52 α bis 520 sind an der äußeren Oberfläche der ringförmigen Zone N angebracht und eine gleich große Anzahl von Kontakten 53 a bis 53 d auf der ao kreisförmigen Zone P. Die Voltmeter 54 α bis 54 d sind zwischen die entsprechenden verschiedenen Kontaktpaare geschaltet. Die Verschiebung eines Lichtfleckes 55 entlang des P-N-Ubergangs 51 zwischen den beiden Reihen von äußeren Kontakten 52 und as inneren Kontakten 53 vermindert den Widerstand zwischen den Kontaktpaaren, so daß die Lage des Lichtfleckes genau bestimmt werden kann, indem man die Spannungen zwischen den Kontakten der verschiedenen Paare abliest oder registriert. Der Lichtfleck ist zwischen den Kontakten 54 α und 53 a in einer Stellung 55 dargestellt, wo er diese Kontakte kurzschließt.

Wenn sich der Lichtfleck in einer Stellung 55 a zwischen den nachfolgenden Kontaktfaaren befindet, werden die von den beiden entsprechenden Voltmetern gelieferten Anzeigen in gleicher Weise verändert. Die von dem Voltmeter 54 c angezeigte Spannung wird vermindert und die in dem Voltmeter 54 d hervorgerufene Spannung so lange vergrößert, bis der Lichtfleck 55 a näher bei dem Kontaktpaar 52 d bis 53 d ist. Wenn es nötig ist, kann eine umgekehrte Polarität entlang des P-N-Übergangs 51 vorgesehen werden, um eine Sperrschicht zwischen den Zonen P und JV zu erreichen.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Photoelement zur lichtelektrischen Lageanzeige mit einem P- und N-leitf ähige Zonen aufweisenden Halbleiterkörper, bei dem die zwischen den an den Zonen angebrachten Elektroden gemessene Photospannung von der Lage eines auf den P-N-Übergang fallenden Lichtbündels abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode eine sich parallel zum P-N-Übergang an der Zone des einen Leitfähigkeitstyps erstreckende Flächenelektrode (22) und die andere Elektrode eine an der Zone des anderen Leitfähigkeitstyps angeordnete Punktelektrode (24) ist.

2. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der einen Zone zwei elektrische Kontakte (23, 24; 37, 38; 43, 44) angebracht sind, an die zur Erzeugung eines parallel zu dem P-N-Übergang verlaufenden Spannungsabfalls eine Gleichspannungsquelle (26, 39, 45) angeschlossen ist.

3. Photoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (32, 34, 46), z. B. ein Voltmeter, zur Messung der Photospannung derart zwischen einen der elektrischen Kontakte und der Flächenelektrode geschaltet ist, daß an den P-N-Übergang eine umgekehrte Vorspannung angelegt ist.

4. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P-N-Übergang geradlinig angeordnet ist.

5. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (20) einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

6. Photoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Halbleiterkörpers im Bereich der Flächenelektrode (36) größer als im Bereich des P-N-Überganges ist.

7. Photoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der P-N-Übergang kreisförmig angeordnet ist.

8. Photoelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen radialen, sich durch den P-N-Übergang erstreckenden Schlitz (42) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Seiten die elektrischen Kontakte (43, 44) angeschlossen sind, und daß die Flächenelektrode (47) an der ringförmigen Zone angeordnet ist.

9. Photoelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Zonen sich paarweise gegenüberliegende und mit einer Belastung (54) verbundene elektrische Kontakte (52, 53) angeordnet sind.

10. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium besteht.

11. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Richtung des einfallenden Lichtbündels erstreckende Abmessung des P-N-Überganges gleich oder kleiner als die Absorptionstiefe der Wellen des Lichtbündels ist.

12. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Punktelektroden aufweisende Zone des Halbleiterkörpers so dotiert ist, daß zwischen den beiden Elektroden ein Halbleiterpfad hohen elektrischen Widerstandes von der Größenordnung 10⁵ Ohm liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 891580, 1110 338; französische Patentschrift Nr. 1276 269;
USA.-Patentschriften Nr. 2965 763, 2 994780.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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