DE1439306C - Photozelle mit einem lichtempfindlichen Halbleiter - Google Patents

Description

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sorption durch freie Ladungsträger führt; er muß erhöhter Leitfähigkeit in der Tiefe x_v. Entsprechend

daher durch Verkleinerung der Überschußträgerdichte der obigen Unterteilung des Kristalls in getrennt

hinreichend klein gehalten werden. meßbare Schichten wird der Frequenzbereich, für

Das Auflösungsvermögen solcher Wellenlängen welchen der Kristall empfindlich ist, in einzelne

anzeigenden Photozellen hängt — außer von kon- 5 Kanäle (Meßgeräte 4) zerlegt, in denen die in bestimmte

struktiv bedingten sekundären Parametern — primär Frequenzintervalle fallenden Lichtintensitäten meßbar

davon ab, wie stark die Eindringtiefe des Lichts sich sind.

mit der Frequenz ändert und wie scharf die Eindring- Der gegenseitige Abstand der Kontaktstreifen muß

tiefe für monochromatisches Licht einer bestimmten dabei groß sein gegenüber dem Intervall Ax, in dem

Wellenlänge durch den Kristall festgelegt ist. io eine Strahlung einheitlicher Wellenlänge praktisch

In F i g. 1 ist für die beiden Mischkristallserien vollständig absorbiert wird, und gegenüber der Diff u-In(As^P₁-J/) und Ga(As₂ZP₁-J,) die Variable γ in der sionslänge der bei der Absorption erzeugten freien Abszisse und die Breite der verbotenen Zone AE Ladungsträger. Daraus ergibt sich für einen bestimmen eV) in der Ordinate aufgetragen. Es ist ersichtlich, ten Kristall der Mindestabstand der Kontaktstreifen daß für erstere Mischkristallserie die Bandbreite AE 15 oder bei vorgegebener Anzahl der Streifen die Mindest- und damit v/c sich linear mit der Konzentration des größe χ = L für den Kristall.

Arsens und des Phosphors ändern. Wird also die Im Bereich schwacher Absorption, χ < x„, müssen Konzentration des Arsens und Phosphors linear mit die mittleren Reichweiten für alle nachzuweisenden der Tiefe χ im Kristall geändert, so besitzt AE eben- Wellenlängen größer oder vergleichbar sein gegenüber falls einen linearen Gang mit der Tiefe. Die lineare 20 den Tiefen x_v, welche die verschiedenen Strahlungs-Abhängigkeit der Bandbreite AE von der Tiefe χ im teile bis zum Erreichen der zugehörigen Absorptions-Kristall kann auch für die Gallium-Mischkristallserie kanten zu durchlaufen haben. Danach liegt die zweckerzwungen werden, indem beim Herstellen des Kri- mäßige Länge χ — L für den inhomogenen Kristall stalls für die Konzentration des Arsens und Phosphors in der Größenordnung von 1 Millimeter bis zu einigen ein entsprechend nichtlinearer Gang gewählt wird. 25 Zentimetern.

— Ebenso kann auch ein anderer gewünschter Verlauf Die Kontaktstreifen müssen nicht notwendig über

der Bandbreite AE mit der Tiefe χ im Kristall herge- die gesamte Kristallbreite mit gleicher Breite verlaufen,

stellt werden, z.B. AE ~ ^- oder AE~logx; im insbesondere können sie zur Befestigung der Anschlüsse

χ mit Verdickungen versehen sein.

ersteren Fall erhält man eine lineare Abhängigkeit 30 Wie die vorige Figur zeigt die F i g. 3 einen im

der Wellenlänge λ von der Tiefe χ und im zweiten Koordinatensystem orientierten Kristallblock 9, der

Fall eine logarithmische Abhängigkeit der Frequenz ν jedoch hier anstatt der einfachen Kontaktstreifen

sowohl als auch der Wellenlänge λ von x. eine Anzahl von p-n-Übergängen 10 enthält. Diese

Bei indirekten Übergängen findet man im allge- können durch Aussägen oder der Mesatechnik entmeinen ein geringeres Auflösungsvermögen als bei 35 sprechendes Ausätzen aus einem parallel zur xz-Ebene direkten Übergängen. Im Bereich der letzteren er- liegenden p-n-Übergang hergestellt werden. Auf den reicht das Auflösungsvermögen ν I Av Zahlenwerte p-n-Übergängen befinden sich streif enförmige Konzwischen 100 und 200. Damit ist die Möglichkeit taktelektroden 11, die über Meßgeräte 12 und Widergegeben, Wellenlängen anzeigende Photozellen auf stände 13 und die Stromquelle 14 mit der Gegenrein elektronischer Grundlage herzustellen, welche bei 40 elektrode 15 verbunden sind. Der Vektorgrad AE und einer Größenausdehnung von weniger als 1 cm³ das die einfallende Strahlung h · ν sind ebenso wie in Auflösungsvermögen einfacher Prismenmonochroma- F i g. 2 orientiert,
toren erreichen. Wenn nun in einem Abstand von dem p-n-Übergang,

Zum besseren Verständnis, der Erfindung seien der kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsfolgende Ausführungsbeispiele erläutert, die in Zeich- 45 träger im Kristall ist, Licht der Frequenz ν in der nungen schematisch dargestellt sind. Tiefe x_v absorbiert wird, dann gelangen dort Träger

In F i g. 2 ist ein inhomogener, hochohmiger in die Sperrschicht. Für den Fall, daß an den Kristall Kristallblock 1 so ' zu einem eingezeichneten Ko- eine Spannung in Sperrichtung angelegt ist, beobachtet ordinatensystem orientiert, daß der Vektor grad AE man folglich eine Erhöhung des Sperrstromes zwischen in die negative x-Richtung zeigt. An den Kristallblock 50 der in der Tiefe χ angebrachten Elektrode und der sind seitlich in verschiedenen Tiefen χ zwei oder meh- gemeinsamen Gegenelektrode 15. Die Anordnung rere Kontaktstreif en 2 angebracht, so daß man die wirkt somit wie eine optische Hintereinanderschaltung Leitfähigkeit des Blocks in mehreren hintereinander- von Sperrschichtphotozellen, die in x-Richtung aufliegenden Schichten gegenüber einer gemeinsamen einanderfolgen und von denen die vorhergehenden Gegenelektrode 3 messen kann. Die Kontaktstreifen 2 55 immer Licht höherer Frequenz ausfiltern und nachsind jeder einzeln —- über parallelliegende Meßgeräte 4 weisen als die nachfolgenden.

und deren Innenwiderstände 5 — über eine Strom- Befindet sich unter sonst gleichen Bedingungen quelle 6 mit der Gegenelektrode 3 verbunden. Die bei 14 keine Stromquelle, sondern eine leitende VerStrahlung hv fällt in positiver x-Richtung (z. B. bei 7) bindung, so kann zwischen der in der Tiefe x_v angeauf den Kristall, dessen bestrahlte Oberfläche in der 60 brachten Elektrode und der Gegenelektrode eine Ebene χ = 0 liegt. Das Licht durchdringt den Kristall Photospannung gemessen werden,
unter nur schwacher Absorption bis zu einer Tiefe x_v Die F i g. 4 zeigt das Prinzip einer quasifarb-(z. B. bei 8), in der AE(x_r) '= h · ν ist. Wegen der dort anzeigenden Sperrschichtphotozelle. Die Orientierung ansteigenden AbsorptiÖnskonstanten wird die Strahl des Kristallblocks 16 sowie die des grad AE und der lung in dem kleinen Intervall AE_V um x_v vollständig 65 einfallenden Strahlung/z · r ist wieder dieselbe wie in absorbiert. Bei gleichmäßiger Ausleuchtung der Kri- den Fig. 2 und 3. In der Ebene γ = 0 besitzt der Stalloberfläche λ; = 0 entsteht daher durch die bei der Kristall eine Elektrode 17; "die über die Spannungs-Absorption erzeugten'freien Ladungsträger eine Zone quelle 18 und das Meßgerät 19 mit dem Kontakt-

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streifen 22 und unter weiterer Zwischenschaltung des zwischen der Elektrode 21 und dem Schnitt χ = x^r: Meßgerätes 20 und dessen Widerstand 23 mit dem

Kontaktstreifen 21 verbunden ist. Parallel zur Ebene η _ ^_ . η

γ = 0 befindet sich dicht unter den Kontaktstreifen 21 ^v L ¹²'

und 22 ein ebener p-n-Übergang. R_v bezeichnet den 5

Widerstand des Kristalls oberhalb der Sperrschicht Durch Zusammenfassung der Gleichungen 1,2 und 3

zwischen der Elektrode 21 und dem Schnitt χ = x_v. folgt dann schließlich:
Weiterhin sei R₁₂ der Querwiderstand des Kristalls

oberhalb der Sperrschicht zwischen den Elektroden 21 Jv_ _ Δ E_x — Δ E₂ ^ R₁₂

und 22. An den Anschlußklemmen 18 liegt eine Span- ίο j AE₁ — Δ E₂ R₁₂ + R '

nung in Sperrichtung, und die Instrumente 19 und 20

messen die Ströme / und /„. Sind V₁ und v₂ die den Absorptionskanten an den

Sinngemäß — wie in F i g. 3 — kann diese Vor- Oberflächen des Kristalls entsprechenden Frequenzen, richtung auch als Photoelement betrieben werden, so ist wegen des Steilanstiegs der Absorption an der wenn die Klemmen 18 geschlossen sind. Dringt mono- 15 Absorptionskante in erster Näherung für die Frequenzchromatisches Licht der Frequenz ν durch die Ober- abhängigkeit des Stromverhältnisses:
fläche χ = 0 in den Kristall ein, so wird es in der
entsprechenden Tiefe x_v absorbiert und erzeugt dort j_v ν — v₂ R₁₂

Ladungsträgerpaare. Diese gelangen in der Tiefe x_v — = · —— ·

in die Sperrschicht, wenn sie in einer Entfernung von 20 ^vi ~~ ^vz ^ "■" ^

derselben erzeugt werden, die kleiner als die Diffusionslänge ist. Hierdurch wird ein Stromfluß in dieser Durch die nach F i g. 4 beschriebene Anordnung Tiefe durch die Schicht erzeugt. Die Ladung kann auf wird die mittlere Wellenlänge ohne Berücksichtigung der oberen Seite des Kristalls sowohl über die Elek- der spektralen Reinheit, quasi die »Farbe«, der eintrode 21 als auch über 22 abfließen. Hierbei regelt der 25 fallenden Strahlung gemessen. Das rührt daher, daß Querwiderstand R₁₂ durch den Kristall in Verbindung bei Bestrahlung mit mehrfarbigem Licht im empfindmit dem mit 23 bezeichneten äußeren Widerstand R liehen Spektralbereich der »quasifarbanzeigenden den Stromfluß über die beiden Elektroden. Am In- Sperrschichtphotozelle« die von den einzelnen Wellenstrument 19 wird der Gesamtstrom J gemessen. In- längen erzeugten Stromanteile sich in den beiden folge der Spannungsteilerwirkung des Kristallbereichs 30 Meßkreisen addieren.

oberhalb der Sperrschicht fließt durch das Instrument Anordnungen der beschriebenen Art, die lediglich

20 der Strom Ausführungsbeispiele darstellen, lassen sich auf alle

£ _ β Prinzipien lichtempfindlicher Halbleiterbauelemente

/„ = J · —— . anwenden, bei welchen die Erzeugung freier Ladungs-

-^12 + ^ 35 träger durch optische Anhebung von Elektronen aus

dem Valenzband in ein Leitungsband für die elektro-

Über die Größenordnung der auftretenden Wider- nische Messung der absorbierten Strahlung benutzt stände gibt das folgende Zahlenbeispiel Aufschluß: wird.

Mischkristalle der Reihe Ga(As^P₁-J,) lassen sich Durch geeignete Wahl des inhomogenen Misch-

bis zu kleinsten Leitfähigkeiten von etwa σ = 10 Ohm-¹ 4< > kristalle läßt sich der Frequenzbereich von Wellencm-¹ herstellen. Eine daraus hergestellte Photozelle längen- und quasifarbempfindlichen Photozellen auf (F i g. 4) habe beispielsweise die Länge L= 5 mm, verschiedene und verschieden große Teilbereiche die Breite in z-Richtung B = 5 mm, und die Schicht zwischen dem nahen Ultravioletten und dem mittleren oberhalb der Sperrschicht habe die Dicke D = 10 μ. Ultrarot (bis etwa 15 μ) einstellen. Bekannte Misch-Dann ergibt sich der Querwiderstand R₁₂ zu 45 kristalle aus der Reihe der Ill-V-Verbindungen, wie

Indiumphosphid, Galliumantimonid, Indiumarsenid

L : und Indiumantimonid, zeigen sämtlich Absorptions-

^12 ⁼ - — ⁼⁼ 100 Ω. kanten, welche durch direkte Übergänge verursacht

^σ werden. Der Wellenlängenbereich von 0,56 μ bei

50 Galliumphosphid läßt sich bis 7,4 μ bei Indium-

Der Widerstand R₁₂ besitzt etwa die gleiche Größe antimonid lückenlos schließen. Mit den Aluminiumwie der Widerstand R ■ R_v, variiert je nach Wellen- und Borverbindungen ist eine Ausdehnung bis über länge der einfallenden Strahlung zwischen 0 und R₁₂. das ganze »Quarz-UV«-Gebiet möglich. Borphosphid Für den Fall eines konstanten Gradienten der ver- besitzt eine Absorptionskante bei ungefähr 0,21 μ.
botenen Zone in -x-Richtung und konstanter Leit- 55 Die ebenfalls bekannten Verbindungen auf der fähigkeit der zweifach kontaktierten Schicht oberhalb Basis der aus der II. und VI. Gruppe des Periodender Sperrschicht 24 läßt sich die Abhängigkeit des systems stammenden Elemente haben Absorptions-Stromes /„ von der Wellenlänge einfach ausdrücken. kanten im Wellenlängenbereich von 0,34 bis 15 μ; Mit den Breiten der verbotenen Zone ZIiT₁ und ZUs₂ an die beiden Randverbindungen sind Zinksulfid und den beiden Oberflächen des Kristalls ergibt sich dann 60 Quecksilbertellurid. Verbindungshalbleiterkristalle diefür die Breite der verbotenen Zone in die Tiefe x: ser Gruppe absorbieren das Licht meist durch in

direkte Übergänge.

x Auch die Blei-Chalkogenide sind als Mischkristall

A E_x = Δ E₁ -(AE₁-A E₂). für die erfindungsgemäßen Photozellen geeignet. Sie

65 absorbieren im Wellenbereich zwischen 3,3 und 4,75 μ (entsprechend Bleisulfid und Bleiselenid). Man findet

Weiterhin ist unter diesen Bedingungen der Wider- bei diesen Verbindungen steile Absorptionskanten stand R_r des Kristalls oberhalb der Sperrschicht (die auf indirekten Übergängen beruhen). Bei An-

wendung dieser Mischkristalle für die Photozellen nach der Erfindung ergeben sich also große Auslösungsvermögen (über 100).

Verwendet man für die Wellenlängen anzeigenden Photozellen nach der Erfindung Mischkristalle aus Elementhalbleitern, z. B. aus den Elementen der

VI. Nebengruppe: Schwefel, Selen, Tellur, so ergeben sich Absorptionskanten zwischen etwa 0,6 und 3,7 μ. Die Absorptionskanten dieser Mischkristalle, die für ein mittleres Auflösungsvermögen einer Photozelle ausreichende Steilheit besitzen, sind ebenfalls durch indirekte Übergänge beschreibbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209517/151

Claims (6)

1 2 » sind, wählt man dafür geeignetes Halbleitermaterial Patentansprüche: aus. Es lassen sich so Photowiderstände, Sperrschichtphotozellen, Phototransistoren usw. herstellen. Solche

1. Photozelle mit einem lichtempfindlichen Zellen reagieren auf Frequenzen auseinem mehr oder Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, 5 weniger breiten Frequenzintervall des auffallenden daß der Halbleiter ein massiver Mischkristall Lichts. Der empfindliche Frequenzbereich erstreckt mit von der zu bestrahlenden zur gegenüber- sich bei nicht aktivierten Zellen von der durch die. liegenden Außenfläche sich derart räumlich ändern- Breite AE der verbotenen Zone bestimmten Absorpdem Mengenverhältnis der Komponenten ist, daß tionskante, Vk = A E/h, um eine oder mehrere Oktaven die Breite der verbotenen Zone im Kristall einen ίο nach den höheren Frequenzen hin.

Gradienten besitzt, welcher der bei Betrieb ein- Will man mit den bisher bekannten Photozellen in dringenden Strahlung entgegengerichtet ist, und deren Empfindlichkeitsbereich die Intensität als Funkdaß auf mindestens einer parallel zum Gradienten tion der Frequenz messen, so sind zusätzliche Maßverlaufenden Außenfläche senkrecht zum Gradien- nahmen mit dispergierenden Vorrichtungen (z. B. ten ausgerichtete Kontaktstreifen aufgebracht sind, 15 Prismen, Filter oder Gitter) erforderlich. Derart zuwelche in Meßkreise zur Erfassung und Aus- sammengesetzte Apparaturen sind umständlich und Wertung der frequenzabhängigen Eindringtiefe in der Handhabung zum Teil störanfällig. ■ einschaltbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Photozelle zu schaffen, mit der unmittelbar die zeichnet, daß verschiedenen frequenzabhängigen 20 Intensität der einfallenden Strahlung als Funktion Eindringtiefen streifenförmige Elektroden an einer der Frequenz gemessen werden kann. ' j Seite des Mischkristalls zugeordnet sind, die über Die Erfindung bezieht sich auf eine Photozelle mit J eine Stromquelle und je eine Meßvorrichtung mit einem lichtempfindlichen Halbleiter. Sie besteht darin, (I einer gemeinsamen Gegenelektrode auf der anderen daß der Halbleiter ein massiver Mischkristall mit Seite des Mischkristalls verbunden sind. * 25 von der zu bestrahlenden zur gegenüberliegenden

3. Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Außenfläche sich derart räumlich änderndem Mengengekennzeichnet, daß unter einer parallel zum verhältnis der Komponenten ist, daß die Breite der Gradienten der Breite der verbotenen Zone verbotenen Zone im Kristall einen Gradienten besitzt, (grad AE) liegenden Oberfläche des Mischkristalls welcher der bei Betrieb eindringenden Strahlung entzwei oder mehrere p-n-Sperrschichten vorhanden 30 gegengerichtet ist, und daß auf mindestens einer sind, über denen an der Kristalloberfläche je ein parallel zum Gradienten verlaufenden Außenfläche Kontaktstreifen angebracht ist, und daß jeder senkrecht zum Gradienten ausgerichtete Kontakt-Kontaktstreifen über ein Photostrommeßgerät mit streifen aufgebracht sind, welche in Meßkreise zur der gemeinsamen Gegenelektrode verbunden ist Erfassung und Auswertung der frequenzabhängigen (F i g. 3). 35 Eindringtiefe einschaltbar sind.

4. Photozelle nach Anspruch 3, dahin abge- Geeignete Halbleitermischkristalle können z. B. wandelt, daß zwischen den Kontaktstreifen und durch Epitaxie so hergestellt werden, daß sich die der gemeinsamen Gegenelektrode eine äußere Breite der verbotenen Zone in einer Dimension quer Spannung in Sperrichtung angelegt und eine die zum Kristall stetig ändert, daß also die Breite AE der Sperrströme anzeigende Meßvorrichtung geschal- 40 verbotenen Zone einen Gradienten grad AE besitzt,
tet ist. Das zu untersuchende Licht fällt bei einer Aus-

5. Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch führungsform des Verfahrens in Gegenrichtung zum gekennzeichnet, daß auf der einen Seitenfläche Gradienten der verbotenen Zone des Mischkristalls des Mischkristalls über einem gemeinsamen p-n- auf dessen Oberfläche mit der größten Breite der Übergang zwei Kontaktstreifen angebracht sind, 45 verbotenen Zone (AE_max) auf. Die Strahlung dringt daß zwischen diesen ein Meßgerät geschaltet ist unter nur schwacher Absorption in Kristallbereiche und daß außerdem zwischen der auf der anderen kleiner werdender Breite der verbotenen Zone ein, Seitenfläche des Mischkristalls befindlichen Gegen- solange die Frequenz ν < AE\h ist. Sobald jedoch elektrode und den Kontaktstreifen ein für letztere ν = r*^: = AE/h ist, steigt die Absorptionskonstante gemeinsames Meßgerät und eine Spannungsquelle 50 steil an, so daß die Strahlung bevorzugt in einer Tiefe gelegt ist (F i g. 4). absorbiert wird, in welcher AE = hv ist. Die durch den

6./Verfahren zum Betrieb der Photozelle nach Steilanstieg der Absorption bestimmte Eindringtiefe Anspruch 5 als quasifarbanzeigende Photozelle, der Strahlung wird als Maß für die Frequenz bzw. dadurch gekennzeichnet, daß bei Bestrahlung mit Wellenlänge benutzt, während gleichzeitig die Zahl mehrfarbigem Licht im empfindlichen Spektral- 55 der beim Absorptionsvorgang erzeugten freien Labereich der Photozelle die von den einzelnen dungsträger als Maß für die Strahlungsintensität Frequenzen erzeugten Stromanteile in den beiden dient.

Meßkreisen addiert werden. Der Verlauf der Absorptionskonstanten mit der

. Tiefe χ im Kristall und der Frequenz ν des Lichts ist 60 von der Zusammensetzung des gewählten inhomo-

, genen Kristalls abhängig.

Die Absorption des Lichts in der Nähe der Absorptionskante ist aus verschiedenen Anteilen zusammen-

Zuf Messung der Lichtintensität verwendet man gesetzt, und zwar aus der Energieabgabe durch

vielfach Photozellen, deren lichtempfindliches Ma- 65 direkte Übergänge, indirekte Übergänge und freie

terial im allgemeinen aus Elementhalbleitern oder Ladungsträger. Die beiden ersten Anteile geben einen

Verbindungshalbleitern besteht. Je nach dem Ver- Steilanstieg der Absorption in der Nähe von hv = AE,

Wendungszweck, für den die Photozellen vorgesehen während der dritte Anteil zu einer unspezifischen Ab-