DE1464315A1 - Photoempfindliche Halbleitervorrichtung und photoempfindliches Schaltelement zur Verwendung in dieser Vorrichtung - Google Patents
Photoempfindliche Halbleitervorrichtung und photoempfindliches Schaltelement zur Verwendung in dieser VorrichtungInfo
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Description
Dipl.- Ing. ERICH E WALTHER '
Patentanwalt
Anmelder: N. V. PHILIPS' GLOEtLAIIIPENFABRfEKEII
Anmelder: N. V. PHILIPS' GLOEtLAIIIPENFABRfEKEII
Akte·. PH 17.788 1 46 A3 1 5
Anmeldung vom: 27· Juni 1963
"Photoenrpflndllehe Halbleitervorrichtung, und photoempfinoV
lichee Schaltelement «ur Verwendung in dieser Vorrichtung"
PIe Erfindung betrifft eine photoempfindliche Ilalbleitervorrichtung mit einem photoempfindlichen Schaltelement mit eisen
mit Elektroden versehenen photoempflndliohen Körper, wobei durch eine In einen UuSeren Kreis eingefügte Speiceguelle an
mindestens ewei Elektroden Potentiale gelegt werden und eine
Strombann in dem Körper vorgesehen let, deren Impedanzünderung
in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung in dem äußeren
Kreis benutzt wird· Die Krfindung besieht eich welter auf besondere AuefUhrungflformen eines photoempfindlichen Schaltelement es mit einem mit elektroden versehenen, photoempflndliohen
Körper, welches Element eich but Verwendung in einer solchen
photoempflndliohen Halbleitervorrichtung eignet.
Solche photοempfindliche Halbleitervorrichtungen werden unter
anderem aur Detektion oder zur Messung von Strahlungsenergie elektromagnet lecher oder korpuskularer Art oder als stranlungsempflndliohe Schalter κ. B. in Überwachungsanlagen verwendet. Bei Bestrahlung des photoempflndliohen Korpers tritt
eine Iflipedansverringerung zwischen den elektroden auf, wodurch
in einem äußeren Belarkungskreis, in den diese Irapedani über
Sl6ktroden gemeinsam alt einer 3pannuagsquelle eingefügt 1st,
eine Stromerhühung erhalten wird, die benutet, d, h. gemeesen
oder einem weiteren Schaltelement eugeführt werden kann. Eine
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weitere, wichtige Verwendungsmöglichkeit liegt bei den sogenannt en opto-elektronischen Vorrichtungen, bei denen ein
phot oempfindli eher Körper und ein elektro-lumineszierender
Körper optisch und/oder elektrisch gekoppelt werden und somit als elektrischer Verstärker, Strahlung·- oder Bildverstärker oder ale multiotabiler Schalter wirksam sein können·
Bei all diesen Anwendungen ist es häufig τοη Bedeutung, ohne
die Notwendigkeit einer Anwendung sehr hoher Spannungsuntersohiede zwischen den Elektroden und einer folglich notwendigen Verwendung grof3er Abmessungen des Körpers eine hohe Ener—
eisverstärkung zu erzielen. Bei vielen weiteren Anwendungen
ist es außerdem erwünscht, die Größe der Impedanz, im allgemeinen der Widerstand im Falle der Bestrahlung und bei Abwesenheit von Strahlung (der sogenannte Dunkelwideretand) und
die entsprechenden Grüßen der Stromstärke des äußeren Kreises
deutlioh unterscheiden zu können. IMter Leistungsrerstärkung G
einer solchen Vorrichtung wird hler, wie üblich, die pro Einheit einfallender Strahlungsleistung zwischen den Elektroden
entnehmbare, elektrische Leistung verstanden, die sich wie folgt in einer Formel ausdrücken läfitt
wobei/^ eine Proportionalitätskonstante ist, welche sich auf
die Ausbeute des Anregevorganges bezieht, und f die mittler·
Lebensdauer in Sekunden der freien Ladungsträger in dem Körper «wischen den Elektroden, tr die mittlere Übergangszeit
der freien Ladungsträger in Sekunden sswischen den Elektroden,
V die angelegte Spannung awlschon den Blektroden in Volt und
Vp die Aualöseenergle zum Auslösen eines Ladungsträger· in
KL ek tr on envoi t, geteilt durch die Elektronladung in Coulomb
bezeichnen·
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Bei den bekannten photoempfindllehen Halbleitervorrichtungen
eingangs erwähnter Art wird als Schaltelement häufig der sogenannte Photowideretand mit einem photo-leitenden Körper verwendet, der »eiert aus einen Halbleitermaterial wie CdS oder OdSe
besteht, wobei die elektrische Leitfähigkeit praktisch lediglich duroh Elektronen herbeigeführt wird. In kurzen Abständen
voneinander sind auf dem Körper swel Ohm'sche Elektroden angebracht , swlsehen denen ein Spsnmmgauntezvohied erseugt wird»
Sa über die 0ha'sehen Elektroden die Elektronen unbedenklich
si»- und abgeführt werden können, 1st es bei einem solchen
Photowideretand möglich. In dem Körper eine Ansahl Ton Ladungsträgern praktisch gleich dem Produkt der pro Sekunde durch
die Strahlung angeregten Ansahl freier XLektrenen und Ihrer
Lebensdauer t effektiv an dem Leitungsvorgang sich beteiligen
au lassen* Mit Büokalcht auf die lange Lebensdauer t kenn deer
Abstand β wischen den XLektroden ohne Bedenken so klein gewählt werden, AaB bei der infolge der angelegten Spannung
auftretenden feldstärke die Übergangszeit tr der Elektronen
swlsahen den Elektroden bedeutend kleiner, s. B. um einem
faktor 10*, al· die Lebensdauer T ist· Biese Photowiderstände
ermöglichen somit, eine hohe LeistungeverStärkung (I su erslelen, während die Spannung T verhältnismäßig niedrig 1st, Aa
gemäfi der vorstehenden Formel der faktor ·χ*~ , der tatsächlich
den Stromverstärkungeiaktor darstellt, groB sein kann* Sin
diesen Photowiderständen innewohnender Nachteil 1st jedoch der·,
daS die hohe LelstungsTeratärJrung bei der bestimmten geringen
Beweglichkeit der Ladungeträger in den ansuwendenden Halbleitern ersielt wird tank einer langen Lebensdaner Z eine« dear
beiden Typen von Laduagsträgern. Dies beschränkt nämlich die
Wahl de« Materials ml diejenigen Halbleiter, welche dieee
Eigenschaft haben, während auBerdem diese P^otewideretände infolge der Lunge der Lebensdauer Z eine groBe Trägheit beim Hn-
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-•r-
und Abschalten der Strahlung aufweisen. Für CdS und OdSe ζ. Β.
liegen die Sehaltseiten swisohen 10 Sekunden und 0,01 Sekunde»
und der Verstärkungsfaktor 0 ist bei den kürseren Schalt selten
entsprechend niedriger.
AuO er Pho towlder ständen nur den in den bekannten phot ο empfindlichen Halbleitervorrichtungen auch bereite als Schaltelemente
Photodioden und Phototransistoren mit einem Halbleiterkörper
8* B. von Germanium oder SiIioium rerwendet« in dem die Leitfähigkeit sbel träge seitens der Elektronen und seltene der
Löoher Ton gleicher Größenordnung sind. Bei einer solchen Photodiode hat der Halbleiterkörper eine pn» oder eine p-l-n-Btruktur. Auf dem n- und dem p-Gteblet aind Obm* sehe Kontakte angebracht, und im Betrieb wird la den äußeren Kreis dsm Kontakt Ik
p-Oebiet eine negative Spannung gegen das η-Gebiet sugefUhrt9
so daO der Übergang in der Sperriohtung geschaltet ist· Bn
falle einer p-i-n-Struktur beträgt bei der bekannten Photodiode
der Abstand ewisohsn den Elektroden ma*1fflal einige !Diffusion»·
ReVomMnatlonelängen. Die PunkeUtltfähigkelt kann dabei, ähn-1 loh nie' bei den Photowideretand, ewer niedrig gehalten werden,
aber bei diesen Photodioden kann die bei Bestrahlung Euoätallch
eich en dem LeitfähigkeitsproatS ewi sahen den Elektroden beteiligende Ansahl Ton Ladungsträgern praktisch nicht größer
sein als dl« pro Sekunde angeregte Ansshl, da im Oegexisats au
den Photowideratand bei dieser Photodiode ens de« »- l»sw. sns
dem p-öebiet keine Löcher be«, keine SLektronea sueefUhrt
werden können. Infolge dieser Zufuhrschwlerigkeiten tritt bereite bei einen verhältnieoilflig niedrigen SpennungeuntersehieA
In der Sperriehtunf «las nicht lineare Besiehung der Btroa-Sparaiungekennllnle auf« welche Btslehung der trsohöpfung der
lufuhr τοπ Ladungeträgern aus der lialblelteroene entsprieht.
faktor ( f- ) beschrankt, der die Sfrrkuag andeutet,
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da der faktor (φ·) wegen dieser Zufuhreoliwlerlgkeiten praSctiooh
nicht größer ale 1 werden kann. Obgleich die für Jrhotodioden
üblichen Materialien» wie Germanium oder Silicium, höhere Schaltgeechwindigkeiten ermöglichen, tritt der Nachteil der
erwähnten nicht linearen Beziehung der Stroia-Spannungskennlinie
auf, während infolge der Abwesenheit von Stroarr er Stärkung auch die Leietungsveretärkung verhältniaaäßig niedrig ist, es eel
denn, dafl sehr hohe Spannungsunterschiede V, z. B. von der
Größenordnung von mehreren Zehn Kilovolt, benutzt wären, was
notwendigerweise stark vergrößerte Abmessungen des Körpers mit
sieh bringen würde.
Außer der .Photodiode wird weiter in bekannten Halbleitervorrichtungen ale Schaltelement ein ihototraneiotor benutzt,der
bekanntlich eine pnp- oder eine npn-Struktur hat, wobei awiechen
den zwei Müderen Zonen gleichen Leitfähigkeitetyps eine Spannung angelegt wird· Die tfirkungsweise des Phototransistor» gründet sich auf die Kombinjitionewirkung dieser Struktur als einer
Photodiode und als eines normalen Translator aver stärkere, der
das Photodiodeneignal elektrisch verstärkt· Ba der hohe LeistungsverStärkungsf aktor um einen erheblichen Seil auf die
normale Traneiotorverstärkerwirkung eurüokeuführen ist, ist für
eine gute Wirkung des Phototransistorβ eine gute Bemessung der
Struktur als !Transistorverstärker erforderlich. Me mit Rücksicht auf die richtige Traneietorwirkung bu stellenden Anforderungen,/ eine dünne Basisaone und ein kurser Abstand awisohen
den jBwei äußeren Schichten, vorsugsweise indem diese Sohiohten
einander gegenüber angeordnet werden, sind Jedoch schädlich
für eine gate Photodiodenwirkuna, da infolge der dünnen Zwi-■ohenschicht und infolge der Abschiniwirkung der äußeren
Schichten und/oder der darauf vorhandenen Kontakte die zur
Bestrahlung hut Verfügung stehend· und empfindliche Oberfläche
des Körpers sehr klein wird· Biese Anforderungen in beuug auf
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ο BAD ORIGINAL
(O
die Bemessung bilden in der Praxis einen ernetliohen Nachteil
ftlr den Phototransistor.
Dio Erfindung bezweckt unter anderem eine neue, besonder«
zweckdienliche Auoführungsform einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung zu schaffen, die ermöglicht, anders ale bei
den bekannten ihotowidorotänden Halbleitermaterialien su be- .
mtzen, in denen die Loitungsbeiträge beider 3?ypen von Ladungsträgern praktisch der gleichen Größenordnung eein "können und
die erwähnten liuchtoile der bekannten Photodiode und des bekannten
Phototransistors, bei denen diese Art von Halbleitern»- terialien verwendet wird, ganz oder teilweise au beheben, während
die Trägheit beljn Schalten erheblich geringer sein kann
als bei den bekanntem Phot ©widerständen und weiter die fUr δ ie
Bestrahlung but Verfügung stehende Oberfläche einfach zugHnglich
und verhältnismäßig groß sein kann. Die Erfindung bezweokt
welter, besondere Vorssugsausführungoformen einer eolchen
photoempfindlichen Halbleitervorrichtung zu schaffen, sowie besondere Ausführungsformen eines photoempfinölichen
Sohaltelementea ßdt einem mit IILoktroden versehenen photoempfindlichon
Körpor, der sich zur Verwendung dabei eignet.
Bei einer photoorapfindlichen Halbleitervorrichtung eingangs
erwähnter Art enthalt, geaäß der Erfindung, das photOÄmpfindliohe
Schaltelement einen photoempfindlichen Körper mit einem praktisch eigenleitenden oder auch schwach störetellenleltenden
Halbleitergebiet, in den bei Bestrahlung die Löcherleitung
und die Elektronenleitung praktisch der gleichen Größenordnung sind, sowie mindestens zwei durch das erwähnte Gebiet
getrennte Elektroden fUr die Stromzufuhr an den Körper, Ton
denen eine Elektrode im wesentlichen lediglich E3.ektronen und
die andere Elektrode im wesentlichen lediglieh Löcher in daa
erwähnt· Zwi och engebiet injizieren keaa, wobei mit Hilfe min-
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■ W *
deetan· einer äußeren Speieequelle über dl« Elektroden eine
Spannung ·* dm· «wieohengebiet angelegt wird und die «rwf&a·
ten injlslerettden Elektroden wenigsten« seltwelllg In der
Torwärtarlohtung betrieben werden, «o deJ die Lüoher und
die riektronen wenigstene örtlich Ia des iwieohengebiet «Im
praktleoh genelnaane Stronbalm durohleufen, der·» Χηρ·4ααβ
durch Bestrahlung dee erwähnten 2wleohengebieta beeinfluflt
wird.
2)1· Auedrüoke Nprektleoh elgenlelteAd", "eehwmoli etöretellen*
!•!tend·, "elektrode11 und «der gXelehen OrOBenordnung« werden
weiter unten bei der ftrläuterung d«r Vlguren näher beeohrleben.
Dae prektleeh elgenleltende oder «ueh eehwaoh eturetellenleltend· Helbleltergeblet, In de« die Ia <Lbh>ngt^k-elt rtm der Beetrahlung au beelnflUMende Xaped«aa liegt, let bei einer
Haltt el terroxrlen tang nach der irflnAeng elnfexih über dl·
Beetrahlwig suglBn^Lloh und dl· Abweewngen dleeee Oeblet·
•lad kelneefeOX« Abenao krltlseh wie bei de« bekannten Phototreneletor· B·, eine «pealflaeh XLiictfe«en lnjlelerend· ILeSctrode und eine epmclfleeh Löeher lnjlftlerende Hektrode In
den elgenleltenden oder eofawaoh etttratellenleltenden Zwlaonen*
geblet vorhenden let, let eine einfeeHe tufuhr ton Klelctronen
und LBofaein In da· Xwleohengeblvt ntfglloh· Die Torrlohtun«
naoh der Erfindung hat folglloh gec«Uber der bekannten ffaote«
diode, Wl der dlee« Zufuhr über dl· ßcwa. Blektrodam
praktle«h aaegeeohloenen let, unter anderen den Tortell, d«S
keine Sreohdpfung der SSufuhr eintritt, μ dafl dl· Stm»·
Bpanitmagekeralinie ble su bedeutend grQteren 8pamiiiiifenleff
eohleden praktleen Xlnear bleibt. Oegenffber de« bekannten, ame
OdS oder HAI· beetefaemen Phottmlderetand unter*eheldet «len
dl« Torrlefatung nnoh dear Srfindnng inaee daduroti« AaS
In den dl· XnpeAsns in weeentllehen beAfngenden Zwl«on«n««bl«t
* β · 909810/046 8 bad original
ein Halbleiter, in dom die Leitungsbelträge beider Typen von
Ladungsträgern prafctioch dar gleichen Größenordnung sind» verwendet wird, während für beide Ladungsträger die Zufuhr einereeite durch Löcher injizierende Elektroden und andererseite
durch Elektronen injizierende Elektroden gesichert wird· Se
ist auf diese Weise außerdem möglich, Halbleitermaterialien mit einer langen Lebensdauer T au verwenden, so daß kürzere
Schal te ei ten, d. h. höhere Sehaltgesehwindigkeiten als bei den
bekennten Ihotowiderstanden erzielbar sind« Ähnlich wie bei
dem bekannten Photowideretand und im Gegensatz au der bekannten j hotodiode ist durch Anlegen einer hinreichend hohen FeIdstärke aber die Elektroden an die die Impedanz bedingende
Strombabn eine Stromvei Stärkung und eomit bei verhältnismäßig
niedrigen Spannungen eine hohe LeistungeverStärkung erzielbar·
Bei einer bevorzugten Aus führ ungsform der Vorrichtung nach der
Erfindung wird» um eine Stromverstärkung zu erzielen, ttber tit Elektroden an das Z wie ah engebiet eine so hohe Spannung
angelegt, daS die mittlere Übergangszeit der Ladungeträger fUr das Durchlaufen der Strombahn in dem Zwisohengeblet kürzer
ist als die mittlere Rekombinationslebensdauer dieser Ladungsträger in dem Zwlsohengebiet» Me Stromverstärkung wird weiter
unten bei der Beschreibung der figuren noch näher erläutert«
Bei einer einfachen, gut geeigneten Ausbildung einer Halblei·
tervorrlohtung naoh der Erfindung hat der photoempfindliche
Körper eine p-i-n- oder auch eine ρ-β-n-Straktor, wobei die
p- und η-Zonen mit den zugehörigen Kontakten die erwähnten
Injizierenden Elektroden bilden, während die gemeinsame Strombahn sich in dem eigonleitenden (1) oder auoh sohwaoh
störet ellenleitenden (s) Halbleiterewisohengebiet zwischen
diesen Elektroden, auf welches dl· Strahlung fällt, befindet und an den äußeren Kreis swisohen diesen Blektroden wenigstens
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zeitweilig em· Spannung angelegt wird, wobei an dor die Löcher
Injizierenden Elektrode eine positive Spannung in besug auf die
Spannung der die Elektronen injizierenden Elektrode angelegt
wird· Beim Anlegen einer Spannung lh der erwühnten Richtung
worden oomit beide Elektroden gegenüber den Zwlochengeblet
(b|1) in der Vorwlirteriohtung gescheitet, so daß eine zweckdienliche Injektion von Elektronen und Lectern möglich ist·
Da die Besohr&Qkung in der Zufuhr von Elektronen und Löchern
behoben wird, bedeutet die p-s-n- oder p-i-n-Struktur, wie
vorstehend beschrieben, in verschiedener Hin eicht, ». B, in
bezug auf die Linearität der Stroa-Spennungskennlinie und dl·
Stromverstärkung, eine erhebliche Verbesserung im Vergleich su der bekannten Photodiode, so daß in denjenigen Fällen, in
denen dies« Eigenschaften besonder· wichtig sind, diese Vorrichtung besonder· vorteilhaft benutet werden kann*
Bei der vorstehend geschilderten AusfUhrungsform ist eine gut·
Zufuhr beider Typen von Ladungsträgern bereits geslohert} ein·
weitere Verbesserung 1st dadurch möglich, daß diese Ladungsträger gut abgeführt werden können. Unter Aufrechterhaltung
der günstigen Zufuhrmöglichkeit von Elektronen und Löchern und
somit unter Aufrechterhaltung der Jäüglichkeit, einen oder steh»
T9r9 der vorstehend erwähnten Torteile zu erzielen, kann ein·
Verbesserung der Abfuhr bed einer weiteren bevorzugten Aueführungsform einer photoeapfindlichen Halbleitervorrichtung nach
der Erfindung erzielt werden, indem das erwähnte eigenleitend· oder schwach störstellen!eitende Zwisehengebiet in der Umgebung
mindesten· einer der erwähnten !avisierenden Elektroden mit
mindestens einer gesonderten Kollektor elektrode versehen wird,
welche Ladungsträger de· entgegengesetzten Typs zu den La»
dungsträgern, dl· durch die betreffende, !avisierende Elektrode
•ingefuhrt werden, an· der garn einsamen strombahn abführt· Vor-
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sugsweise wird eine eolohe Halbleitervorrichtung derart ausgebildet t daß sie einen photoempfindlichen Körper mit einem
praktisch eigenleitenden oder auch schwach etörstellenleitenden Ilalbleitergebiet enthält, sowie mindestens zwei durch das
erwähnte Gebiet voneinander getrennte Ulektrodenpaare, wobei
ein Paar eine im wesentlichen lediglich Elektronen lnjizler«n~
de Elektrode und eine gesonderte, Löcher auffangende Slelrtrode
enthält und das andere Paar eine im wesentlichen lediglich Löcher injizierende Elektrode und eine gesonderte, Elektronen
auffangend· Elektrode besitzt, während durch das Anlegen von Potentialen an diese Elektroden über den erwfihnten Ewisohengebiet wenigsten· aeitwelllg ein Spannungsunterschled aufrechterhalten wird, so daß In diesem Zwlsohengebiet wenigstens
örtlich eine den Elektronen und Löchern praktisch gemeinsame Strombahn vorhanden ist, deren Impedana durch Bestrahlung dee
Zwlsohengebietes beeinflußt wird. Bei dieser bevorzugten Aueführungsform der Erfindung wird somit durch den Zusatz einer
gesonderten, kollektleren den Elektrode an eine oder an beide
irisierende -Slektroäen die Auffangfunktion der injizierenden
Elektrode wenigstens teilweise von dieser Senderelektrode übernommen, die zu diesem Zweck von der injizierenden Elektrode
verschieden ausgebildet wird, und zwar derart, daß sie eine besser· Auffangslefcijing für die betreffenden Ladungsträger
hat· Der Ausdruck "löcher" bzw. "Elektronen kollektierende
Elektrode" soll daher in so weitem Sinne verstanden werden,
daß si· eine Sonderelektrode mit einer im Vergleich sru den injizierenden Elektroden der ersten Ausführungsform verbesaerten Kollektionsleistung für die Ladungsträger des betreffend«!
fvp« bildet, während bei der erstgenannten Ausführungeform
dl· Abfuhr lrtnge der in j i eier enden Elektroden erfolgt. Die
kollektierenden elektroden werden vorzugsweise durch Elektroden
gebildet, di· im wesentlichen lediglich die Ladungsträger des betreffenden Typs kollekt leren können» Daher sind in eines odor
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in jedem Elektrodenpaar die injizierende Funktion und die kollektierende Punktion je einer Elektrode zugeordnet, die oich
spezifisch für dieoe Funktion eignet und zu diesem Zweck optimal bemessen werden kann. Obgleich es möglich ict, auf andare,
an sich bekannte weise spezifisch Ltiohor oder Elektronen kollektierendo oder injizierende 2£Loktroden zu erhalten, worden dl«
Löcher injiaierende Hektrode und die Löcher kollamtierende
Elektrode Torsugsweise durch je eins p-loltende Zone alt «ige»
hürigem Kontakt und die KLektronen injizierende KLektrode und
die Elektronen kollektlorende Elektrode durch je eine n-leltende Zone mit zugehörigem Kontakt gebildet, wahrend die betreffenden Elektroden zum Injizieren In der Vorwlxtarichtung
und sram Kollektleren in der Sperriohtung gegenüber dem ZwI*
Bchengebiet geeohaltet werden·
lün weeentlicher Vorteil dieser Aueftihrungeform mit zwei getrennten ELektrodenfunlrt ionen In einem oder VOrzugswelee la
beiden Paaren ist außerdem, daß gegenüber der vorstehend be»
ßchriebenen p-ö-n- oder p-i-n~Struktur oin niedrigerer Dunkel ström bei der gleichen Länge der Stronbahn in dem eigenleitenden Ctoblet zwischen den Elektroden, erzielbar 1st· Infolge der verbesserten Abfuhr let es möglich, Inabesondere bei
einer niedriges; Betriebsspannung, die Spannung verlust β In den
Übergängen von den Elektroden nach den Zwäoohengeblet zu verringern· ■ .
Um eine optimale kollektierende Funktion zu erzielen» wird
weiter vorzugsweise die Strahlung nicht nur auf das ^frischen*
gebiet, sondern auf die zur Elektrode gehörenden ionen gerichtet, während weiter als weitere Varaugemaflnahme zwischen der
injizierenden Elektrode und der kollektierenden Elektrode jedes Paares In dem äußeren Kreis eine Spannung aufrechterhalten wird, die die gleiche Polarität hat wie die bei Bestrahlung
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zwinchen diesen Elektroden auftretende Schwebe Spannung und der
eine Größe hat, die zwischen der halben iachwebespannung und dem
Bandabstand dos Zv/iachengebieta liegt und der vorzugsweise
praktisch gleich clieoor Gewebespannung iot. Unter "Schwebespannung"
wird hier die ohne äußere gegenseitige Verbindung zwischen diesen Elektroden erzeugte Photo-ISiK vorstanden·
Knirschen den beidon Gruppen von IILektroden lie«:t in den eigenleitenden
odor schwach störstellenleitenden Zwischengebiet die
gemeinsame Gtroiabahn für Löcher und Elektronen, welche die in
Abhängigkeit von der Bestrahlung au beeinflussende Impedanz
bedingt· Um die löcher in einer Richtung und die Elektronen in der entgegengesetzten Richtung zweckdienlich der Strombahn
gemeinsam folgen zu lassen und um eine günstige Zufuhr und
Abfulir zu sichern, befinden oich die injizierende Elektrode
und die kollek tier ende Elektrode jjedes Paares oder, wenn vorhanden,
ihre zugehörigen Zonen in einem Abstand von maximal 5 Diffuaiono-Rekombinationsl'tngen voneinander, vorzugsweise
maximal 3 Diffusions-Rekombinationslängen« Unter einer Diffußione-Rekombinationolänije
wird hier, wie üblich, der Abstand vorstanden, iibor den eine örtlich in diesem IJaterial erzeugte,
zusätzliche Konzentration beider ''ypen von Ladungeträgern, die
ohne Jiilfe eines äußeren, elektrischen Feldes durch Diffusion
und Rekombination nach anderen Teilen abfließen, bis auf 1/e ihres «»ertes abgenommen hat, wobei ei die Ifepe^sche 2ahl
(2,718) bezeichnet.
Die allgemeinen Anforderungen an ein photoempfindliches Schaltelement
zur Verwendung in einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung sind vorstehend bereits in bezug auf die Halbleitervorrichtung beschrieben. Die Erfindung betrifft weiter nicht
nur die Halbleitervorrichtung mit einem solchen Schaltelement, sondern auch besondere Ausführungsformen eines photoempfindlichen
Sehaltelementes an sich, das sich zur Verwendung in einer
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SDlchon Vorrichtung eignet. In einer möglichen geeigneten
Vorzugsausf tttirungsform enthält ein photoempfindlicheo Schaltelement nach der Erfindung einen photoempfindlichen Körper
mit einem praktisch eigenleitenden oder auch schwach störst eil einleitenden Halbleitergebiet, wobei die bei Bestrahlung
auftretende Elektronenleitung und Löcherleitung praktisch der Reichen ffrö.Oenordnung Bind, sowie mindeßtens zwei durch
dr.s erwähnte Gebiet getrennte Elektroden für die Stromzufuhr
ixa den Körper, von denen eine Elektrode im wesentlichen lediglich Elektronen und die andere Elektrode im wesentlichen lediglich Löcher in das erwähnte Gebiet injizieren kann, während der
Abstand zvriLachen diesen Elektroden, längs der Stronbahn durch
dna erwähnte Gebiet gemessen, mindestens fünf Diffusione-Hekombinationslängen, Vortragsweise mindestens zehn Hf fusions-Rekombinationslangen beträgt. Vorzugsweise ist der lichtempfindliche Körper in Form einer p-i-n- oder oiner p-s-n-Struktur ausgebildet, wobei die p- und η-Zonen mit den zugehörigen Kontakten die erwähnten injizierenden Elektroden in dem praktisch
eigenleitenden (i) oder auch schwach störstellenleitenden (s)
Zwiochengebiet Ml«U
Eine weitere, bevorzugte AusfUhrungeform des lichtempfindlichen
Schaltelementen nach der Erfindung enthält einen lichtempfindlichen Körper mit einem praktisch eigenleitenden oder auch
nohwach ströcrtellenleitenden Halbleitergebiet, in dem die bei
Bestrahlung auftretende Elektronenleitung und Löcherleitung praktisch der gleichen Größenordnung sind, sowie mindestens
zwei durch das erwähnte Gebiet getrennte Elektroden für die
stromzufuhr an denkftrper, von denen eine Elektrode im wesentlichen lediglich Elektronen und die andere Im wesentlichen lediglich Löcher in dae erwähnte Gebiet injizieren kann, wobei
das erwähnte Zwischengebiet in der Umgebung mindestens einer der erwähnten Injizierenden Elektroden mit mindestens einer
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genonderten, ko 11 ok ti or enden .Klektrode versehen 1st, v/olche
Ladungsträger don entgegengesetzten Typs zu den Ladungsträgern,
dio durch die botroffondo injizierende KLektrode eingeführt
werden, nun don iiwinchongobiot kolloktieren lamn. In dieser Beziehung hat eo oich insbesondere als Einstig erwiesen, sin
phatoGiapiindlichoo Schaltelement nach der Erfindung anzuwenden,
das mindontona zxioi durch daa erwähnte 2wisohengel)iet
voneinander getrennte Slektrodenpaaro enthält, wobei ein fa:ir
eine ülolttrode, die in wesentlichen nur L'loktronen injiaioren
kann, und eine ^oaondorte, kolloktierendθ Elektrode enthält,
welche Liichor aus dom :;v/iochengebiot abführen kann, w.lhrend
dae andere Pniir eine Elektrode, die im v/eoentlichen nur Locher
injizieren kann, und eine gesonderte kollektierende Elektrode
enthalt, die Elektronen aua dem ''.wiochongebiet abführen knnn.
Die kollektierenden tilelctroden werden vorzugsweise duroh JiO-oktroden
gebildet, die im wesentlichen lediglich die ladungsträger des betreffenden Type sammeln können. Weiter werden die
Löcher injizierende .Elektrode und die Löchor kollektierende
Elektrode vorzugsweise durch je eine p-leitende Zone nit zugehörigem Kontakt und die Elektronen injizierende Klektrode und
die XLektronen kollektierende ELektrode durch je eine n-leitende
Zone mit zugehörigem Kontakt gebildet. TJm eine zweckdienliche
Zusammenwirkung der Elektroden beim Injizieren und
Kollektieren zu erzielen, befinden sich die injizierenden
Elektroden und die kollektierenden Elektroden mindestens
eines Paares, vorzugsweioe beider Paare, in einem Abstand von maximal fünf Diffusions-R ekombinat ionslängen, vorzugsweise
maximal drei Diffusions-Hekombinationelängen voneinander· IHt
Rücksicht auf den Dunkelstrom beträgt vorzugv/eise der Abstand,
länge der Strombahn zwischen den beiden Elektrodenpaaren gemessen, mindestens drei Diffusions-Rekombinationslängen. Für
bestimmte Verwendungszwecke hat es sich weiter als günstig erwiesen, die Ladungsträger eines bestimmten Typs injizierenden
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-tr-
liloktrodoii und die Ladunestrii£or dou gleichen xyro ?:ollohtier
end en iilekt roden dor verschi ^denen ri'-rc pr J.ti:-cli äluilich
auszubilden·
Dio voratehend geachilderten lichtempfindlichen
naoli dor Erfindung enthalten weit ei, «ic· bei einer?.
liclien Gehalt element üblich ist, Kitt öl zua Aui'f.m^o:! dor
Stralilung an dom pliotoon ;findliclien körper, :ί· Ij. cino fl?r
atralilung durchlüfli: i^G -.<and in oiner Mill α. In vorliegenden
Falle v;ird die Strahlung auf dao prüürtiach oi^enlcitande odor
auoli acliwaeli atoratellenleitondo Gebiet und vor^uc^wüiüo
gleichseitig auf die su den .Elektroden gehörenden Zonen dos
phoboempfindlichen Körpers j
Die ρ ho to empfindliche IliilblGltervorrichtunc nach der 3rfiiidun£
und daß photoejapfindlioho Schaltelement nach der Urfindung so—
/.de weitere beaondore Auafuhrun^aforniGn doraelben und dio auf
dioae i/eirse ersiolbaron, beaonderen Vorteilo v/orden naoliotohend
an Hand einer Anaalü von !»"i^uren und
nrihor erläutert·
nrihor erläutert·
1 zeigt ocheraatiach und porspolctivioch eine
Auaführun^joform einei· photoonpfindlichati Vorrichtung wiä oinee
photooiapfindlichen Schalt elesientea nach der
2 aoiiXfc ßchematioch und schaubildlich eino andere bevorzugte .lusfiihrungaform einen photoompfindlichen Schalt elemente a
und oiner photoempfindlidien HsLlJileitorvorriclitung nach der
Erfindung.
Die Pi^. 3 bis 5 zeigen acheiiatiacb. verschiedene Schaltungeiinordnungen
nach der Erfindung f'J.r die photoempfindliche
iialbleitervorrlchtung nach Pig· 2.
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/lh
6 zeigt in Schnitt ein Beispiel cinrrs photoempfindlichen
Schnltolemontes nach der Erfindung,
Die riß. 7 und 8 zeigen graphische rarBtellungün der Hoss-
die an dom photo empfindlichen Schaltelement nach
6 erhalten wurden·
Bai einer photoenpfindlichen HaIMeitervorrichtung nach der
Erfindung, wie diese in Fig. 1 dargestellt ißt, enthalt dae
photoempfindliehe Schsltolenent einen photoenpflndlichen Körper
1, der heispielßweino die Gestalt eines Streifens hat, der
cm den Enden mit Kontfürten 2 und 3 versehen ist. Der photoempfindliche
Streifen 1 enthält ein praktisch eigenleitendes oder schwach ströstellenloitendes Ilalbleitergebiet 4, das an
einem Snde des Streifens in eine n-loitende Zone 5 und an dem
anderen Bade in eine p-leitende Zcmo 6 übergeht. Die n-leitende
Zone 5 bildet gemeinsam mit dem darauf vorhandenen Kontakt 2 eine Elektrode 2, 5f die im wesentlichen lediglich Elektronen
in das Zwischengebiet 4 injizieren kann, da die Löcherkonaentration-in
dieser Zone 5 erheblich niedriger 1st· Die p-leitende Zone 6 bildet gemeinsam mit dem darauf vorhandenen Kon*
taict 3 eine Elektrode 3, 6, die im wesentlichen lediglich Löcher in das Zwiaehongebiet injizieren kann, da die ßlektronenkonaentration
in dieser Zone 6 erheblich niedriger als die Lücherkonzentration
ist. In dem Maße, wie die Leitfähigkeit äer η-leitenden Zone 5 und der p-leitenden Zone 6 höher ist gegenüber dem 2wischengebiet 4* ist die Injektion der Elektronen
bsnv. Lacher in das Zwischengebiet besser· Die Strahlung 7
trifft das Zwisohengebiet 4 senkrecht zu der breiten Seite
des Streifens 1 und vorzugsweise auch die Elektrodeneonen 5
und 6, die infolgedessen auch eine höhere Leitfähigkeit bekommen, was eine Verringerung des Widerstandes in den Zuführung*
bahnen mit sich bringt*
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Mit 'ΐιΐίο einer äußeren Sfaannunssquelle 8 wird eine
Spannun3 in dom äußeren Xreis in H,.ihe mit einer Impedanz 9»
die z.B. ein Strom- oder Spannungsmesser sein kann, oder eine
Impedanz, z. B· ein ^i der et and, eines weiteren Sohalteleiaentes
odor ein Widerstand, von den die Spannung einor weiteren
Schaltung zugeführt wird, der "SLektronen injizierenden Elektrode
2, 5 gegenüber der Löcher injizierenden Elektrode 3, 6
zugeführt, wodurch beide TCLeittroden gegenüber dera Zwischensebiet
4- in der Vorwärtsriehtuns geschaltot werden, so daß -Ie
die entsprechenden Iadunsstrr;.ger injizieren· Außer weiteren,
nachstehend zu beschreibenden Unterschieden der bevorzugten
Ausftfhrun£sform den photoempfindlichen Schaltelementes an sich |
ergibt sich hler eindeutig ein vrosentlicher Unterschied swl·
ßchen einer Halbleiterrorrichtung nach der Erfindung und der
bekannten Halblei terrorrichtung alt einer -'-"hot odio de, bei der,
im Gegensatz zu der vorliegenden Vorrichtung, die beiden 121 ©ktroden
2, 5 und 3, 6 in der Sperrlchtuns betrieben werden, wodurch
die Zufuhr von Elektronen und Löchern von diesen Elektroden her praktisch unmUglioh 1st und die bereite erwähnten
Nachteile auftreten·
BoI der Vorrichtung nach Fig· 1 let weiter über die Elektroden
2, 5 und 3, 6 eine Spannung an das Zwiachengebiet 4 angelegt,
wobei die durch die Elektroden injizierten und durch die Strahlung ausgelosten Elektronen 10 und Löcher 12 eine prak- '
tisch gemeinsame Strombahn in dem Zwischengeblet 4 In dem
Sinne durchlaufen, daß die Elektronen 10 diese Strombahn In
Richtung des Pfeiles 11 und die Löchor 12 diese Strombalm In
Richtung des Pfeiles 13 durchlaufen, welche der erstgenannten Richtung entgegengesetzt ist· Piese gemeinsame 3trombahn in
dom praktisch eigenleitenden oder schwach störstellenleitenden
Oeblot 4 bedingt wenigstens im wesentlichen die in Abhängigkeit
von der einfallenden Strahlungsintensität zu beeinflussende Impedanz zwischen den Elektroden 2, 5 und 3, 6, zu welchem
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Zweck die V/iderstandsverluste in den Zufuhrbahnen in und nah«
den Elektroden auf ein !.linde at maß herabgesetat werden»
Die Elektronen und Löcher haben in dem Zwieohengebiet 4 eine
mittlere Lebensdauer T , die von dem gewühlten Halbleitermaterial und von der eingebauten oder vorhandenen Konzentration an Rekorabinationszentren abhängig 1st· Wenn £ die Ansah!
der durch die Strahlung auegelüsten Elektronen und Löcher je
Sekunde bezeichnet, lcann in dem Zwischengebiet 4 eine Aniiahl
g^von Ladungeträgern sich bei der bestimmten Bestrahlung effektiv an dem Leitungsvorgang beteiligen, sofern diese Anzahl
nicht, wie dies ja bei der bekannten gesperrten Blöde der Fall
" ist, durch Abfuhr ohne Zufuhr durch die Elektroden erschöpft wird· Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird diese Erschöpfung gerade durch die bequeme Zufuhr von Elektronen und
Löohern durch die Elektroden 2, 5 und 3, 6 verhindert· Dies
bringt mit sich, daß die elektrische Neutralität in dem Zwischengebiet 4 beibehalten wird. Es wird auf diese Weis· ewlsehen den Elektroden 2, 5 und 3, 6 eine Stroa-Spannung»kennlinie erzielt, die bis zu bedeutend größeren Spannungsanier«·
schieden als bei der bekannten Diode praktisch linear bleibt, was bei vielen Verwendungsmöglichkeiten bei denen dies· Nichtlinearität unerwünscht 1st, vorteilhaft 1st·
Sin weiterer, wesentlicher Vorteil einer photoempfindlichen
Halbleitervorrichtung nach der Erfindung, b. B. in der Aus»
fUhrungsform nach FIg* 1 und der weiter unten au erörternden
Ausfuhrungeform nach 71g. 2 ist, daß eine Stromverstärkung
und eine zusätzliche hohe Lelstungsve Stärkung erslelbar sind·
Zu diesem Zweck wird bei einer bevorzugten form einer HaXbleitervorrlchtung nach der Erfindung über die Elektroden an
das Zwi sch engebiet 4 eine Spannung gelegt, die in der gemeinsamen Strombahn eine so hohe feldstärke eraeugt, daß dl· mittlere Laufzeit der Ladungsträger in dem Zwlschengebiet 4 In
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Pig. 1 sw* Chen den Elektroden 2, 5 und 3, 6 kleiner 1st ale
die mittlere Äekombinationslebensdauer ~ diener Ladungsträger
in den Zwischengebiet 4« Wird vorausgeeetet, daß die mittler·
Übergangszeit elnee Ladungsträgers von einer Zone, z· B. 5»
nach dar anderen Zone» «. B. 6, tr beträgt, so wird jeder
Ladungsträger pro Sekunde i/tr Male das Qebiet überqueren·
Dies bedeutet, daß bei einer Halbleitervorrichtung nach der
zwischen diesen Elektroden befördert wird oder mit anderen
Worten, daß g#(TYtr) Ladungsträger si oh effektiv an der Leitung beteiligen. Wenn somit ~/ty größer als 1 let, kann durch
den äußeren, mit den Elektroden verbundenen Kreis oder duroh
die äußeren Kreise pro Sekunde eine Anzahl von Ladungsträgern fließen, die X /tgpal größer ist als die pro Sekunde duroh dl·
Strahlung ausgelöste Anzahl g oder, mit anderen Worten, es
tritt ein Stromverstärkungafaktor T /tr auf, der größer als 1
1st· Infolge der guten Zufuhr duroh die Elektroden 2, 5 und
3, 6 wird In dem Zwisohengebiet dennoch eine Aneahl von La*
dungsträgern g «T* aufrechterhalten, au oh wenn die Übergangsseit tr kleiner 1st als die Lebensdauer T. In dem Maße, in
dem die von der angelegten Spannung erzeugte Feldstärke größer ist, je ktlrser 1st die mittlere Übergangszeit der Ladungsträger und %m hoher kann somit der Stromverstärkungsfaktor sein.
In einem bestimmten Falle kann er bei hinreichend hoher feldstärke z. B. 100 betragen.
Die absolute Orttfie der für einen bestimmten Fall zu wählenden
Potentiale an den Elektroden hängt unter anderem von der Stärke des Zwisehengebietee 4, längs der mittleren Strombahn swl~
sehen den Elektroden 2, 5 und 3, 6 gemessen, von der QrSSe der
Beweglichkeit und der Lebensdauer der Ladungsträger in dem
betreffenden Halbleitermaterial, von den Spannungen an den Zuflihrungsbahnen über Ale Elektroden 2, 5 und 3, 6 und von der
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gewünschten Größe des Stromvoratärkungsfaktore ab« las zeigt
sich, daß für jede zu wählende Stärke die Torenrähnten Bedingungen der Stromverstärkung erfüllt werden können, indem die an
das Zwischengebiet anzulegende Spannung hinreichend hoch gewählt wird· Um einen Strcsznreretärkungafaktor insbesondere in
denjenigen Fällen zu erzielen» in denen der Abstand zwischen
den Elektroden 2, 5 und 3, 6, länge der Streubahn in des
Zwiochengebiet gemessen, eine oder mehrere DiffusionB-Hekombinationslängen beträgt, muß der Potentialunterschied In
dem Zwisohengebiet 4 und somit die feldstärke in der gemeinsamen Strombahn so hoch gewählt werden, daß die mittlere
Strecke, welche die Ladungsträger innerhalb ihrer mittleren Rekomuinationsiebensdauer Γ unter der Wirkung des Feldes eurüoklegen, größer als die betreffende Anzahl von Diffusion»-Hekombinationslöngen ist oder, mit anderen Worten, da bei Diffusion ein Spannungsfall kl/q, über einer Diffusions-Rekombination al än^e auftritt, wobei k die Boltemann-Konetante, Ϊ die
Temperatur in Srad Kelvin und q. die Elementarladung dee Elektrons bezeichnen, wird über jeder Dlffusions-Rekonibinatione·
länge in dem Zwiechengebiet ein Potentlaluntereehied angelegt
v/erden müssen, der größer ist als kT/q, und zwar eoTiele Kaie
größer, als notwendig ist, um innerhalb der mittleren Lebensdauer ~l den Gesamtabstand ewisohen den Elektroden zurückjsulegen.
Das Iialbleitermaterial, aus dem der halbleiterkörper oder
nlgstens das Zwischengebiet 4 zusammengesetzt let, let ein Material, in dem sowohl die Löcherleitung und die Elektronenleitung praktisch gleicher Größenordnung sind, 8. B. ein elementarer Halbleiter wie Germanium oder Silicium oder eine
HalblelterrerbiDdung wie eine A111-By-Verbindung, d. h. %±am
Verbindung eines Elementes der III. Reihe mit eines Sleaent der V. Reihe des periodischen Systems in äquimolekularen
Mengen, z, B· InSb oder UaAs* Unter "praktisch gleicher
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Größenordnung" wird in dieser Beziehung verstanden, daß bei
Bestrahlung der Leitung8bei trag, der durch das Produkt der
Konzentration und der Beweglichkeit freier Löcher und freier Elektronen bedingt wird, nicht um mehr als einen Faktor 20,
vorzugsweise um weniger als einen Paktor/Verschieden ist· Die
Wahl des Halbleitermaterials int unter anderem von der erwünschten Strahlungeempfindlichkeit abhängig. Eo Bind z. B. Germanium
und InSb in dem Infrarotgebiet empfindlich, während in Halbleitern mit größerem Bandabstand bekanntlich die Strahlungsempfindlichkeit mehr nach dem kurzwelligen Infrarot oder nach
dem sichtbaren Gebiet tot schoben 1st« Die vorliegende Erfindung bietet somit die -Möglichkeit, Halbleitermaterialien,
in denen anders als bei CdS oder CdSe die Löcher und Elektronen einen Beitrag praktlsoh gleicher Größenordnung für die
Leitfähigkeit liefern, in einer photoem,· findlichen Halbleitervorrichtung zu verwenden, während dennoch die gleichen Vorteile wie bei den bekannten CdS- und CdSe-Photowlderständen erzielt werden. Da diese Halbleitermaterialien sowohl für Löcher
als auch für Elektronen eine erheblich größere Beweglichkeit als in CdS oder CdSe bei einer kurzen Lebensdauer der Ladungsträger besitzen können, liegt außerdem die Möglichkeit vor,
bei kurzen Schaltzeiten eine hohe Leistungeverntärkung zu erzielen«
Das zwischen den Elektroden 2, 5 und 3, 6 liegende Gebiet 4,
in dem die für Elektronen und Löcher gemeinsame Strombahn liegt, besteht sue einem praktisch eigenleitenden oder achwach
störstellenleitenden Halbleitermaterial. Unter einem praktisch eigenleitenden Halbleitergebiet wird hier, wie üblich,
ein Halbleitergebiet verstanden, in dem, wenn keine Strahlung
vorhanden ist, die Konzentrationen an freien Elektronen und Löchern praktisch gleich sind, so daß dieser Ausdruck sowohl
einen Halbleiter in sehr reinem Zustand als auch einen Halb»
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leiter umfaßt, in den die Anzahl von Donatorzentren und die
Anzahl von Akzeptorzentren praktisch ausgeglichen sind. Statt
dee eigenleitenden iiülbleitermaterials kann auch schwach störßtellenloitendoB
Halbleitermaterial benutzt v/erden, obgleich die Abweichung von der Eigenleitfähigkeit im allgemeinen so
gering gehalten wild, nie mit Rücksicht auf die Herstellung dos betreffenden Halbloitors möglich icrt. Das fraß dieser Abweichung hängt untor anderem von dein verwendeten Halbleitermaterial,
von dem erwünschten DunkelwiderBtand, von dem Bereioh
der au detektierenden Strahlungsenergie, von der erforderlichen
.Empfindlichkeit, usw. ab. Bei Halbleitern mit einem
größeren Biuidabstand z. B. iat im allgemeinen eine größere
Abweichung 25uläosig in Hinsicht auf die Anforderungen für den JDunkelwiderstand. In Vergleich zur Anzahl der durch die
Strahlung auszulösenden freien Ladung»träger wird vorzugsweise der Unterschied zwischen der Anzahl der freien Elektronen
und der Anzahl dor Lacher in den Halbleitergebiet bei Fehlender Strahlung nicht zu groß gewühlt, um eine zu große Asymmetrie zwischen der liioktronen- und der Lüohorleitfähigkoit zu
vermelden. In der Praxis kann für jeden Pail an sich experimentell
einfach festgestellt werden, welches MaS der Abweichung
von der EigGnleitfiihigkeit zulässig ist und der Ausdruck
"schwach störet eil enl ei tend» soll daher in so weitem Sinne verstanden
werden, daß, wenn auch eine minimale Abweichung angestrebt wird, auch diejenigen Fälle umfaßt werden, In denen die
Verwendung von schwach otürstellenleitendem Halbleitermaterial
in einer photoempfindlichen Halbleite »vorrichtung nach der Erfindung mit einem oder mehreren der resultierenden Vorteilen
möglich ist. In der Praxis wird vorzugsweise alo achwach störstellen! eitendes Halbleitermaterial ein Material verwendet,
das im nicht bestrahlten Zustand und bei der gewünschten Betriebstemperatur eine Anzahl der vorliegenden Ladungsträger
hat, die nicht größer ist als 10 * pro our, vor»ugewei··
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4* X
maximal 10 ' pro cm · Bei einem Material rait geringem Bandabstand kann eine solche niedrige Anzahl z. B. auch durch ein«
niedrige Betriebstemperatur z, B. durch Abkühlung erzielt worden·
Unter "Elektroden" werden in dieser Anmeldung nicht nur die
Ifetallkontakte 2 und 3 sondern auch, wenn vorhanden, die zugehörigen Halbleiterzonen 5 bzw· 6 verstanden, weiche die
apeziflaohe Punktion, d· h. die Injektion von Elektronen und Löchern, ausüben· In vielen Fällen werden ftir die im wesentlichen nur Elektronen bzw· Löcher injizierenden Elektroden 2, 5
und 3, 6 Metallkontakte 2 bzw. 3 mit zugehörigen n- bsw. pleitenden Zonen 5 bzw. 6 verwendet, die zu diesem Zweck mittels
einer Spelsequelle 8 in dem äußeren Kreis in der Vorwärtarichtung polarisiert werden. Um eine gute Injektion zu erzielen,
muß In diesen Fällen die Störstellenleitfähigkeit in dem Zwischengebiet 4 niedriger sein als die Leitfähigkeit der ELektrodenaonen 5 und 6, in nioht bestrahlten Zustand vorzugsweise
um einen Faktor von mindestens 100 niedriger. Innerhalb dee Rahmens der Erfindung ist es jedoch auch möglich, andere Arten
von Elektroden, welche die erwähnte Funktion erfüllen können, anzuwenden, e. B. einen Metalliontakt mit zugehöriger Zone
aus einem anderen Halbleitermaterial als dem Material des
Zwisohengebietes 4» z. B. aus einem Halbleitermaterial mit
größerem Bandabstand, oder eine Elektrode, die lediglich aus einem Metall besteht und einen Metall-Halbleiterübergang mit
dem Zwischengebiet bildet, der direkt die betreffende Funktion ausübt. Die Kontakte können direkt auf dem Körper, z. B. auf
den zugehörigen Halbleiterzonen, oder auch elektrisch isoliert gegen den Körρ or angebracht werden, so daß sie eine kapazitive
Verbindung mit dor zugehörigen Elektrodenzone des KHrpera bilden, was bei Wechselstromantrieb manchmal erwünscht sein kann·
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ins!)ο none? ore zur Verwendung in Verbindung nit ein<3r Gleich—
s;pannun£Gquelle B in den äußeren Kreis, welche die beiden
ElG^rtroden 2, 5 un<l 3f ^ in der Vorv/ltrtsriehtung kontinuierlich
polarißicrt. V.a irt Jedoch auch möglich, eine Spei-Bequelle
3, welche Impulse in der Vorwärtsrichtung liefert, oder eine Vechselsrannungequelle su benutzen, in welchem
Falle in der der Vorv'Srtsrichtiing entsprechenden Edbperioöe
der Wechselspannung die besonderen Vorteile e'er Halbleitervorrichtung
nach der JSrfirchmg eintreten.
Trotz der Tatsache, dnß bei ßer einfachen AucflUirungsform nach
Pig· 1 mit einer p-i-n- oder p-s-n-Struktur die beiden Blektrodenzonen
5 und 6 in der Vor\7£irtsriehtun£ polarisiert eind,
ißt 08 dennoch infolge dee praktisch eißenleitenden oder
schwach störstellen!eitenden Zwiechengebiets 4 möglich, einen
fiir viele Verwendungen ausreichenden Unterßchied zwischen dem
bei Fehlen der Strahlung fließenden Punkelatrom und dem bei
Bestrahlung fließenden Bestra1 lungsetrom zu erzielen. Bei Verwendung
für Strahlungsmessung ζ. B. ist der Wert des Dunkelstroma
im übrigen weniger wichtig, da er auf einfache, bekannte Weise mittels einer Brückenschaltung kompensiert werden
kann. Der Bunkelstrora Icann nach Wunsch dadurch erniedrigt
werden, daß der Querschnitt der Strombahn in dem Zwischengebiet
4 klein gewählt, ein Halbleiter mit großem Bandabetand verwendet und der Abotand zwischen den Elektroden, längs der Strom»
bahn in dem Zwischengebiet gemessen, groß gewählt wird. Se
können in diesem Falle sehr aiJüaiQ Streifen oder Schichten verwendet
werden, deren Stärke annähernd von der Größenordnung
einiger Absorptionelängen der betreffenden Strahlung in dem
betreffenden Halbleiter ist. Bei Fehlen der Strahlung können
die Elektroden 2, 5 und 3, 6 dennoch Elektronen bew. Löcher
in die diesen Elektroden angrenzenden Bereiche des Zwfe chengebiets
injizieren. Indern dafür gesorgt wird, daß diese Bereiche 14 und 15, in denun die Elektronen und die Löcher eine
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große Konzentration haben und die sich über einen Abstand von
einigen DlffuaionB-Rekombinationslängen von den Elektroden
2, 5 und 3, 6 erstrecken., nicht zusammenfallen (in Hg. 1 ,
ist die Begrenzung dieser Bereiche beispielsweise durch die
gestrichelten Linien 16 bzw* 17 angedeutet), kann der Dunkel-Btrom niedrig gehalten werden· Sa werden somit bei einer photoempfindlichen Halbleitervorrichtung bzw· bei einem photoempfindlichen Schaltelement nach der Erfindung mit der Struktur naoh
fig. 1 der Abstand zwischen den beiden injizierenden Elektroden 2, 5 und 3» 6, insbesondere bei einer p-i-n- oder p-o-n-Struktur naoh Hg. 1, längs der 3trorabahn in dem Zwischengebiet 4
gemessen, mindestens gleich fünf Mffusions-Rekombinatlons—
liingen, vorzugsweise mindestens gleich zehn Mffusions-Bekombinatlonslängen gewählt·
Bei einer Struktur alt nur zwei Elektroden 2, 5 und 3, 6 in der ÄusfUhrungsform naoh Pig. 1 müssen die Elektronen an die
Lücher Injizierende Elektrode 3, 6 und die Locher an die Elektronen injizierende Elektrode 2, 5 abgeführt werden. Im allgemeinen gilt, daß eine besonders für die Injektion von Ladungstxflgern eines bestimmten Typs ausgebildete Elektrode, a. B·
eine Elektrode des p- Type, die Löcher injiziert, sich weniger gut dazu eignet« Ladungsträger des entgegengesetzten
Type, in diesem Falle Elektronen zu koUektieren, d. h. abzuführen, da die Konsentration von l<adungeträgern entgegengesetzten Typs in dieser Elektrode gering 1st. Der in dies«»
Beispiel abzuführende Ladungsträgerstrom, d. h. der JSLektronenetrom, mufl daher «mächst durch Rekombination in einen
Ladungsträgerstron entgegengesetzten Typs, d. h. einen Löcherstrom umgewandelt werden, wodurch zusätzliche Verluste durch
Potentialsprunge in dec Stroaftihrimgsbahnen und in daran lie»
genden Teilen 14 und 15 des Zwischengebietes 4 auftreten können, die vorzugsweise weitestgehend vermMen werden sollen·
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Meeen Ve lust en gegenüber gibt es eine Kompensation, da Infolge der Injektion die wirksame Länge in dem ZwIsohengebiet
abnimmt, was jedoch eine Zunahme des Bunkelstroraes mit sich
bringen kann. Bei einer Ausführungsform mit nur zwei Elektroden nach Fig. 1 können die erwähnten Spsonungaverluete erfindungsgemaß
dadurch verringert werden, daß die injizierenden Elektroden, d, h. bei der Ausführungsform nach Fig. 1 die
Elektroden 5 und 6 über ubergangsschiehten 14 und 15f welche
eine in bezug auf den weiteren feil des Zwischengebietes 4 erhöhte
Konsentration an Rekombinationszentren für die zu kollektierenden Ladungsträger der betreffenden Art enthalten, an das
Zwischengebiet 4 angeschlossen werden. Ks ist auf diese Weise möglich, die Rekombination derart über eine kurze Strecke erfolgen au lassen, daß die Abfuhr verbessert wird.
eingangs bereits im allgemeinen erläutert wurde, kann bei einer weiteren, besondere gut geeigneten Vorzugaaueführungsform
der Erfindung die Abfuhr dadurch verbessert werden, daß
einer oder beiden injizierenden Elektroden eine oder mehrere gesonderte, kollektierende Elektroden zugeordnet werden.
Fig. 2 zeigt beispielsweise schaubildlich eine solche bevorzugte Ausführungsform· Bei dieser Ausführungsfona sind durch
das eigenleitende oder schwach stiirstellenleitende Zwischengebiet
4 zwei Paare von Elektroden, d. h. ein Paar 2, 5 und 20, 21 und ein anderes Paar 3» 6 und 22, 23, voneinander getrennt. Ein Paar enthalt eine spezifisch Elektronen injizierende Elektrode 2, 5f die vorzugsweise aus einem Kontakt 2
und einer ζ ugehörigen Zone 5 des n-iyps besteht und eine gesonderte, Löcher kollektierende Elektrode 20, 21, die vor-Bttjsweise
in Form einer im wesentlichen nur löcher kollektierenden
Elektrode ausgebildet ist und die z. B. au« einem Kontakt 20 und einer Zone 21 des p-Tvps besteht. Bas andere Paar
enthält eine spezifisch Löcher injizierende Elektrode 3, 6,
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die vorzugsweise aus einem Kontakt 3 und einer Zone des p-Typs besteht, und eine gesonderte, Elektronen kolloktierende
Elektrode 22, 23» die vorzugsweise in Porst einer im weeentliohen nur KLektronen kollektierenden Elektrode ausgebildet 1st und ssu diesem Zweck vorteilhaft aus einen Kontakt
22 und einer zugehörigen n-leitenden ALektrodenaone
besteht· tfenn aus dem äußeren Kreis diesen Elektroden ihren
Funktionen ent sprechende Potentiale zugeführt werden, so daß die injizierenden Elektroden in der Vorwärtarichtung und die
kollektierenden Elektroden in der Sperriohtung betrieben werden und außerdem in dem Zwiochengeblet 4 ein Spannungeunterschied aufrechterhalten wird, durchlaufen die Elektronen
10 in Richtung des Pfeiles 11 und die Löcher 12 in Richtung des Pfeiles 13 in dem Zwischengebiet 4« wenigstens in einen
gewissen Abstand von den Elektroden, eine praktisch gemeinsame Ctrorabahn, die für ein Elektron beispielsweise durch
die gestrichelte Linie 24 und für ein Loch beispielsweise durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet ist. Nahe den Elektroden
sind die Stranbahnen der Löcher und der KLektronen getrennt·
Es werden auf einer Seite durch die Elektrode 2, 5 Elektronen dem ZnIsehengebiet zugeführt und Löcher durch die Elektrode
20, 21 abgeführt, während auf der anderen Seite Löcher durch
die Elektrode 3, 6 zugeführt und die Elektronen durch die
Elektrode 22, 23 abgeführt werften. Zwischen beiden ^ p aar en liegt die gemeinsame Strombahn in dem Zwischengebiet 4-·
welche für die in Abhängigkeit von der ein fan enden Strahlung
zu beeinflussende Imp danz im wesentlichen maßgebend ist·
Die zu detektierende Strahlung (durch die Pfeile 7 angedeutet)
trifft nicht nur das Zwiuehengebiet 4, sondern vorzugsweise
auch die Umgebung der ^Iektrodensonen und die KLelrtrodensonen
on sich (21, 5, 3 und 23)· Bs wird auf diese Welse erreicht,
daß auch in den und in der Hihe der Elektrodenzonen die Leit-
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fahißkcit erhöht und die 3p;innuru-avorlu,-:tc in den Zufülirun^scn
verringert worden können.
Um eine benonöoro £*5n.:ti£C Tronnim,? üiviechen der Zufuhr und
dor Abfuhr bei einen 331 e'rtrodonpaar au oicliorn und einen
sv/eckdienliehon Aufbau der ßeneinauaen Streubahn au erzielen,
v/orden vorteilhaft die injizierende jHektrode und die
kolloktierende Jüc2:trode vorsu^aweioe jedes Paarec in oineri
ijGßonaeitiften ' h nt and von nazimnl 5 Diffusion a-Rekombinati.onel!Uißent
"voran^sv/oioe naxinal 3 IdffiiGions-RekonibinationEirin/ren.
anijßordnrit. Bei de*ι betreffenden Slektrodeiiaiifbau
n-icl?. 7iß. 2 bedeutet dioe somit, daß die Elcktrodejizonen 5
und 3 sich p.cxir.ial in einem aolclien Abstand von den ulolctrodensonen
21 Ijhv/. 23 befinden.
Uli cliß t;ün^ti-;e irkiui,"; 7er Erhöhung doi1 Leitf/ihi^keit bei
Beotralilun^ der 31ektro<2en jedes iajireo O'.ler deren U'2~ebung
prrJfctiscL vollnfnai^ für die Sufuhr odor die Abfuhr auszunutzen,
v/irrd weiter vorzuj^BwolBe in den äußeren ICreio f3\7iBcheii
der injiainrenden und der kollcktierenden Elektrode jedes
l'a^rea ein Spaiinunssuntcjrachied aufrechterhalten, der s^rlochen
der halben ^e^vebenp-mnuiiß und dem Biindabotanä in Volt des
betreffendem HalbleitorG liegt und die ßloiche Polarit?lt wie
diese Schivebespaiinun^ hat und vorzugcweioe praktisch gleich
dioöor Sohwebospanjiun.^ ict, α ie bei der Bontrahlunc zwisehen
den betreffenden Elektroden erzeugt v/ird. Unter "S hweboapannung"
v/ird hier ^iQ ohne tluTore ^esonoeitigc Verbindung
sehen diesen Elektroden orzougte Photo-IiiSC vorstanden,
Verringerunj; dos 3pannun^;ountcrachiedee oder ümlrelirung der
Polfiritilt bee±ntr?icliti£Tfc diene zusätzliche Erhöhung der Loit-■fMli±ßk©it,
und bei ZunrOtao deo üntorcohiedGa oberhalb des
Bandabatondoc in Volt werden die Vorteile dieser Struktur im
Vergleich su dor nach Fig. 1 gerinser. Der Spannimsauntersohied
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wird vorzugsweise gleich der Schwebespannung gewählt; kann es in gewissen Fällen, z» B. beim Auftreten von Streuableitung
zwischen den Elektroden oder Reihenwiderständen in den Elektroden eines Paares» kann es gewünscht sein, eine Korrektur für
die Abweichung von der Schwebe spannung in dem äußeren Kreis
anzuwenden»
Ein wesentlicher Vorteil der in Pig. 2 dargestellten AusfUhrungsforra
mit getrennten injizierenden und kolloktierenden Elektroden besteht darin, daß infolge der verbesserten Abfuhr
in gewissen Fällen weniger opannungeverluote in den Stromzufllhiungsbahnen
über die Elektroden auftreten können als bei der AusfLihrungeform nach Pig. 1, während jedenfalls auch die
Linearität der Strom-8paijiungskennlinie weiter verbessert
werden kann· Ba bei jedem Paar eine gut kollektierende Elektrode
vorhanden ist, wird außerdem die Konzentration an Ladungsträgern in den den Elektroden angrenzenden Teilen des Zwischenbebietes
bei Bestrahlung niedriger gehalten, so daß im Vergleich zu der p-s-n- oder p-i-n-3truktur nach Fig. 1 ein
weiterer, wesentlicher Vorteil eines niedrigeren Dunkelstroraes
bei dem gleichen Abstand zwischen den injizierenden Elektroden erhalten wird· Dieser Vorteil macht sich insbesondere geltend,
wenn im äußeren Kreis zwischen den Elektroden jedes Paares ein Spannungsuntcrsohied gleich der Schwebespannung odor ein Spannungsunterschied
innerhalb dor vorstehend erwähnten Grenzen aufrechterhalten wird. Bei der AusfUlirungsfona nach Fig. 2
ist somit ein niedrigerer Dunkelstroia erzielbar und/oder ein
kürzerer Abstand zwischen den injizierenden Elektroden 2, 5 und 3, 6 zulässig als bei der AusfUhrungsfora nach Fig. 1
oder, in anderen Worten, ißt^iuf diese Welse möglich, fcei
geringen Abmessungen des photoempfindlichen Körpers einen
niedrigen Dunkelstrom zu erzielen. Im Zusaiünenhang mit dem
Dunkelstrom beträgt der inimalabstand zwischen den beiden
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Elektrodenpaaren vorsugswolse mindostona 3 Diffusiono-Rek
omblnatlonslängen.
In» Vorstehenden v/urden bereits für die verschiedenen Ausführungsformen
nach den Pig. 1 und 2 verschiedene, vorzugsweise zu berücksichtigende untere Grenzen für den Abstand zwischen
den Injizierenden Elektroden 2, 5 und 3, 6 oder, mit anderen
Sorten, für dio Stärke des Zwischengebiet es 4 angedeutet. Eine
obere Grenze für diesen Ab at und hangt unter anderem von dem
Spannungsunterncliied ab, der in dem äußeren Kreis gewünscht
ist. In Falle eines großen \botandes zwischen den Elektroden
ψ ktSnnen durcl- einen entsprechend großen Spannungsunterschied
in dem Zwischengebiet die gleichen Vorteile wie bei einem
kleineren abstand ersielt v/erden, z. 33. ein iJtromverstärkungsfaktor
von mehr alu 1, indem der Spannungsunt or schied in
dem Zwischengebiet und somit die Feldstärke in dem 3wiGehengebiet so hoch gesteigert werden, daß die Übergangszeit kürzer
als die Lebensdauer ^ ist. In dem Ilaße, in dem der Abstand
zwischen den Elektroden und die Stärke de3 Zwischengebietes
kleiner sind, kann bei einem niedrigeren Sp aimun,;sunt er schied
eine höhere Leistungsverstiirkung erzielt werden, da die Übergangszeit, wie gesagt, kurzer int. Die Betriebsspannung kann
z. 3. niedriger als etwa 300 V sein und ist vorzugsweise niedrige
als 50 V.
Bei der Ausführungsform nach I1Ig. 2 sind die injizierende und
die kollektierende J&ektrode z. 3. 2, 5 und 20, 21 in Form
Ton Kontakten mit zugehörigen Halbleiterzonen 5 bzw. 21 ausgebildet. Sa sei in dieser Beziehung bemerkt, daß beide £1 ektroden,
Html ich vde vorstehend für die injizierende Elektrode
bei der Erörterung der Mg. 1 beschrieben ist, auch auf andere
üeise, z. B. in Form eines metallischen Ilalbleiterlibergenges
oder eines Kontaktes mit zugehöriger Halblelterzone mit
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verechi«denen Bandabständen [sogenannte "heterojunction*
(yrendübergänge)], ausgebildet sein können. Obgleich vorzugeweiae
eine spezifisch eum Kbllektieren der betreffenden 1&-
dungsträger, z. B. /,ocher, geeignete kollektierende Elektrode
verwendet wird» ergibt oioh bereits eine Verbesserung
der -bfuhr, wenn die kollektierende Elektrode bereits eine
verbesserte Kollektioneleistun^ im Vergleich zu der indizierenden Elektrode hat, der oie zugeordnet lot. Dies bedeutet*
daß innerhalb des Rühmens der Erfindung bereite z. B. für eine
Löcher kollektiarende Elektrode vorteilhaft eine Ohm'sche Elektrode auf dem Zwiecherigebiet anwendbar iet, welche für die
betreffenden Ladungsträger eine bessere Kollektionaleistung
hat als die spezifisch für die Injektion von Ladungeträgern entcegengeeetstflBi Typs bestimmte Elektrode. Unter einer Elektrode
mit einer verbesserten Kollektionsleistung wird hier
eine Elektrode verstanden, die beim Anlegen eines ü unterBChledee «wischen dieser KLektrode und dem Zvdschengebiet
einen größeren Strom von Ladungsträgern zu betreffenden Type
abführen kann als unter gleichen Bedingungen die injizierende Elektrode, der sie zugeordnet iot.
Für die AueführuncBform nach Fig. 2 gilt im übrigen das gleiche,
was bereits im ZusaLtmenhang mit Fig. 1 bemerkt wurde, a. B.
in bezug auf die Stromverstärkung, die Wahl des iialbleitermaterials
und die Elektroden. Bei der Ausführungsform nach
Fig. 2 werden ewel Paare von iJlektroden verwendet. GewOnechtenfalls
können selbstveretändlleh die injizierende Elektrode
2, 5 und/oder die kollektierende Ulolctrode 20, 21 in zwei
oder iiohr !Peilelektroden geteilt werden, so daß zwei oder mehr
Gruppen von zwei oder mehr aln awei Elektroden gebildet wexden,
wob :1 die KLe'rtroden mit gleicher Funlction in jeder öruppe
parallel gesehaltet werden können.
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^ au
Dae Λufrochterhalten einer Spannung praktisch gleich der
Schwebespannung zvdL schon der Injizierenden Elektrode und der
kolloktierenden Elektrode jedes Paares oder innerhalb der bereite erwähnten Grenzen kann auf verschiedene Weloe bewerkstelligt
werden. Fig. 2 zeigt eine geeignete Schaltungsanordnung, bei welcher awei äußere Kreise 25 und 26 benutzt werden,
fön denen ein -Creio 25 mit einer opeisequelle Oa zwischen der
Elektronen injizierenden Elektrode 2, 5 eines Paares und der Elektronen kollektierenden Elektrode 22, 23 des anderen Paares
und der andere ilreia 26 mit einer Speisequelle 8bf die vorzugsweise praktisch gleich der erstgenannten üpeisequelle 8a lot,
zwischen der Köcher kollektierenden Elektrode 20, 21 eines
Paares und der Löcher injizierenden JSlektrode 3t 6 des anderen I'iiares angeschlossen ißt, w;ihrend diene Kreise 25 und 26
über den photoenufindllchen Körper 1 miteinander gekoppelt
sind. Zwischen den boiden Elektroden jedes Paares stellt sich
infolgedessen selbsttätig die der betreffenden Strahlungsintensität zugehörende ochwebespannung ein, wenn diese Kreise
25 und 26 getrennt und galvanisch nur über den photοempfindlichen*
Körper miteinander gekoppelt sind. Die Speisequellen 8a und 8b und etwaige Impedanzen 9a und 9b werden derart gewählt, daß die LJpannungsunt er schiede zwischen den Elektroden
praktiech einander gleich sind. Vorzugsweise werden die Speisequelleii
praktisch ein mder gleich gew?ihlt und die Impedanzen
umgekehrt proportional zu den Strömen durch die Kreise an den Iimenwideratraid des Körpers in den beiden Kreisen angepaßt«
Die zwei opeisequellen 8a und 8b, die in l'ig· 2 in Form van
deichepannun^cquellen dargestellt sind, oind in den beiden
Kreisen 25 und 26 entsprechend ihrer Funktion derart geschaltet, daß die injizierenden Elektroden 2, 5 und 3, 6 in der
Vörwärtsrichtung und die kollektierenden Elektroden 20, 21
und 22, 23 entsprechend ihrer Punktion in der Sperrichtung ge-
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schaltet sind. Zu diesem Zweck sind auf einer Seite dea Zwischengebietes
4 die injizierende .Elektrode 2, 5 des n-riyps und
die koll stierende .Elektrode 20, 21 deo p-Typs mit der i.Iinuoklemrie
der Batterien Oa und 8b und die p-!Pyp injizierende
Elektrode 3, 6 fies p-Typs und die kolloktierende Elektrode
22, 23 des n-2yps auf der anderen Seite des Swißchongebietes
4 mit der Plusklenme der Batterien Oa und Cb verbunden·
Die Batterien Ca und 8b erzeugen somit Über dem 2wiGdungebiet
4 einen Spnnnungsuntorachied, der einem elektrischen
PeId in Kiehtung des Pfeiles 26 entspricht, das die löcher
!2 in Richtung der injizierenden Elektrode 3, 6 nach der kollektierenden
Elektrode 20, 21 und die i^Lektronon 1G in Richtung
der injizierenden Elektrode 2, 5 nach der kollektierenden Ulektrode
22, 23 treibt.
Mne Elektrode, die sich zum Injizieren von im woacntliehen nur
Ladun ,otrHgern eines bestirnten iyps z· B. iJ.oktronen eignet,
ist im allgemeinen gleichzeitig eine Slektrode, dio sich duzu
eignet, im wesentlichen nur Ladungsträger des gleichen Typs zu Irollektieren. ;,o kiinncai z. B. eine Locher injizierende
jUektrodo 3, 6 und eine Lücher kollektierendo Elektrode 20,
beide durch eine p-!yp KLcktrode gebildet werden. Der tlntorschiod
in den funktionen äußert sich daboi lediglich in der Schaltungsanordnung, da eine injizierende EIeId; rode in der
Yorviiirtsrichtung und eine kollektierende Elektrode in der
Verrichtung geschciltet wird. Bei einer AusfUhrungsfona nach
Pig. 2 können o'>mit für ge^visse Anwendungen vorteilhaft die
Ladungsträger eines bestimmten Typs injizierenden Elektroden und die Ladungsträger des gleichen Typs koll ekti er end en Elektroden
der verschiedenen Paare praktisoh identisch ausgebildet
werden, so daß sie in der Schaltung gegenseitig ihre Funktionen übernehmen künncn. l;ies bedeutet außerdem, daß ein«
3olche AusfUhrungsform des photoantpflndliohen Schaltelemente·
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nach Flg. 2 oicli auch zum vVechoelspannuntfabetriel) eignet, zu
welchem Zweck die Speisequelle 8a und die Speisequelle Ob durch
in dor !'hase und eier Amplitude praktisch gleiche Wechselsp&nnungsquellen
ercetzt werden müssen. In einer Ilalbperiode der wechselspannung sind dann die Elektroden 2, 5 und 3» 6 ale
injizierende Elektroden und die JILektröden 20, 21 und 22, 23
alo kollektierende Elektroden wirksam, v/ahrend in der anderen
Ilalbperiode die kolltaktierenden und die injizierenden J*unktionen
umgekehrt oind.
In den Kreisen 25 und 26 sind weiter die Impedanzen 9a und 9b
angebracht, die z· 13. durch Widerstände oder, bei Wechselspannung,
durch kapazitive odor induktive Elemente gebildet werden
können. Me Impedanzen 9a und 9b sind vorzugsweise umgekehrt
proportional zu den Strömen durch die Kreise 25 und 26. Der Strom durch das Zwischengebiet 4 verteilt sich dabei Iu Verhältnis des Strombeitrags in den Kreisen 25 und 26. Unterschiede
zwischen den ütrombeitragen in den Kreisen können infolge eines Unterschieds der Qualität aar für Löcher bestimmten
Elektroden und der für .Elektronen bestimmten Elektroden oder
infolge eines Unterschieds in der Beweglichkeit und der Lebensdauer von Löchern und Elektronen oder Infolge einer Abweichung durch Störotellenleitfiihigkeit in dem Zwischengebiet
auftreten.
Eine der beiden oder die beiden Impedanzen 9a und 9b können
ähnlich vrile bei der AuofUhrungsform nach Fi^, 1 ein Meßgerät,
ein weiteres Schaltelement, z. B· ein Heiais, o· dgl. sein.
Jfenn nur in einem der beiden Kreise wie der Impedanzen 9a oder
9b zu diesem Zweck benutzt werden, lot es dennoch erwünscht, in dem anderen Kreis eine daran angepaßte Ersatsimpedanz anaru—
bringen, um das richtige Verhältnis zwischen der Löcher- und
Elektronen!eitfihigkeit in dem Zwisohengebiet nicht zu stören.
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is
Pig. 3 zetirfc eine phot oeiap find It ehe halbleitervorrichtung
nach der iSrfIndang, wobei das photoewpfindliche Schaltelement
auf gleiche Weise ausgebildet ist wie in Mg. 2$ es unterscheidet
sich von Fig· 2 nur in άβτ Welee der Schaltung· Die
zwei Kreise 25 und 26, im Gegensatz üu der ;ichaltun^ nach
Fig. 2, sind nicht nur übo;. den phot ©empfindlichen Körper 1
sondern auch miteinander gekoppelt, da die Spannung über einen
Teil 30a einer Impedanz 9a zwischen dem einen Elektrodenpaar 2, 5 und 20 f 21 und die Spannung über einen Teil 30b der anderen Impedanz 9b zwischen dem anAftrexi Elektrodenpaar 3· 6 und
22, 23 zurückgeführt 1st, um zwischen den ALektroden jedes der
beiden i^lektrodenpaare den erwähnten Spannungeunter schied aufrechtzuerhalten,
der vorzugsweise praktisch gleich der durch die Be at rat lung auftretenden Sehwebeepannun^: ist. Flg. 3 zeigt
daher eine Abart der Aucftjlirungefofia nach Pig· 2 rait einer
a'itzlichen galvanischen /opplung zwischen den beiden kreisen·
Die AuefUhrungeforn nach I'ig, 3 enthält zwei
25 und 26. InÄem diese Parollelkreiee tellweioe kombiniert
werden, kann eine besondere einfache Ausführungoform erzielt
werden, die in i'ig· 4 ochenatiscii dargestellt ist und die mac
eine Speisequelle 6 und eine Belaetungeimpedanz 9 enthält·
Bei der photoein kindlichen Halbleitervorrichtung nach Mg· 4 sind zu diesem Zweck die Elektroden jedes Paares mit einer gemeinsamen Speisequelle 8 und einer gemeinsamen Bclaotungelnt»
pednnz 9 verbunden, während die Yerblndungsleltung zu mindest βηα einer der Elektroden jedes Paares (d. h. in Fig« 4 den
Elektroden 20, 21 und 22, 23) eine Hilfeiepedanz 30a bzw, 30b
enthält, mittels deren zwischen dea Elektroden jedes
die erwähnte Spannung, die vorzugsweise praktisch gleich
Schwebespannung bei der betreffenden Bestrahlung ist, angelegt wird· Ba die Schwebespannuag zwiGehen einer injizierenden
Elektrode und einer kollektierenden Elektrode maximal vtm der
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-V-
GrößonorrJbiun'i von 1 Lic 2 V cein krmn, füliren «lie Vorscbcltimpedanzen
'j:'.a und 3Cb nur einen kleinen Energieverlußt im
Vergleich zu der Ge-spntapannung im Zv/ietchengebiet herbei, die
in iblifinglgkelt von der Stärke des Zwiscliengebietes z. 3·
2C bis 30 V oder mehr betragen kann. Im Vergleich zu der Ausführun^sfonri
nach Fi£. 2 hat diece luoführun^sform den Vorteil eines teilweise gemeinsamen äußeren Kreises; die Ausführung nform nach Pig· 2 hat hingegen den Vorteil, daß infolge
der Trennung der äuMeren Kreise die üchwebeepannung sich
selbsttätig in ;\bh?Jnclgkeit von der Strahlungsintensität auf
den richtigen ..ert ein it eilt, während bei der Ausfübrun^sform
nach l:iß. 4 , \veniger»tcno bei Grleichspannunpebetrieb, insbesondere bei r-.cIiY/aJikander ntrfüjlungeinteneitnt, die Einstellung
nui' auf eine uehwebospannung erfolgen kijnn, die einer clttleren
entspricht.
Dei der in Pi/;. 4 dargestellten AuBfülirunc«form ißt ejne Gleichspannun-oquelle
8 vorgesehen; um im Sloichspannungsbetriob
den üpaiinungenintorccfcied nit der richtigen Polarität zvriLsclien
den Elektroden jedoo l'aares aufrechtsuerhalten, werden die
i-ilfrsimpedfuiEcn vorau'sv/eioe in j'ora von V/ideratänden 30a
bzw. 30b in die Vurbindunftovege nach den kollektierenden
Elektroden 20, 21 bzw. 22, 23 oinßefögt.
Aus ?ic· 5 itft isu entnehmen, daß eine jihnliohe Ausführungsform
ßucli für \-echselotrombotrieb geeignet irrt, in welchem Falle
dio lülfsimpedfiniaon vorteilhaft durch Treiinkondensatoren 30a
und 30b gebildet werden künneii, während '.lie cemeinsane Speisequel
Ie 0 durch eine V/eclißelopannungsquelle gebildet wird. Die
Trennkondenoatoren 30a und 30b bilden eine !zweckdienliche i'rennunß
flir die frleicliopniuiunc zwischen der injizierenden Elektrode
und der kollektierenden Elektrode jedes Paaree, so daß
in Abhllngigkeit wn tier i3trahlun^;sintenöität die Sch .-ebespannung
Bwischen dietson Elektroden oich selbsttätig einstellen
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\zra\nt v/"hrend rjndererseits die Kondensatoren pr J^tioe!-. kein
Hindernis für dio Speinewechoelspaanun. bilden., no daß in
einor LrJbperiode die Eleltrode 2, 5 und die elektrode 3, 6
Tlo]:troncn br.vj. Lc ehe" injizieren υηο iie riohtrodon 20, Γ:1
bsTr· 22, 23 !-'Scher bsw. Elektronen kollektieren, wnirrond in
der anderen Kalbperiode die injizierenden und die kollektleronden
Funktionen un^elrohrt nind. ITneh Pig, 5 aind die Trennkondonaatoren
30a und 3">b beiDtieleweioo iii dio Vorbindun^oloitun^cn
su den Elektroden 2, 5 eingefügt? nit dom ^loichen
Roeultat können Srennkondensatoren auch gleichzeitig in die
Verbindungsleitungen 51 und 52 ein/jeftlßt werden· Sei einer
"benondoren AunfUhruncsfon« oineo photoom findlichen acha
elenentes* nach der Erfindung, doo olch sxm rechrjelo
betrieb olcpiet, sind die Tronnkondenoatoren rait dem photooapfind,-liehen
f.iSrper 1 aueara>ion;?ebaut, indem bei mindestens einer der
Elektroden jedes Paares eilt dem Kontakt, a. B. 2 und 3, kapazitir,
z. B. unter /.vrlsohenfUßung einer Isolierochlcht, mit der der
Elektrode sü gehörenden Kone des Körparo verbunden v/ird. Statt
iriderptllnc?e oder Trennkondensatoron lassen sioh auch oparaiungsabbün.ii^e
»'lderstünde oder Moden für die Trennung vorworden·
/eitor k"innen bei '-'echselatroinbetrieb in den ;t.ußeren Kreis
induktive Siderstöncle bonutzt werden, cie gev/y.nochttmfalle dl«
Ströne durch die beiden iCreioe in don richtigen Verhältnis
koppeln können.
den vorstehend genchilderten Ausftilirungaformon int otets
die injizierende Elelrtrode in dem äußeren Kreis mit der kollelrfcierenden
Jloktrode für dio Ladungsträger dea gleichen
Typs verbunden. In gewissen Killen, z.B. wenn die Hektronen-leitfcihi^keit
und die Löcherl'sitfühißkeit oinjinder praktisch
gleich oder nur wenig voneinander voroohieden aind, 1st
es auch nö&Lich, zvrei .äußere Kreise zu verwenden, von denen
oin Creis ait einer upeisequolle zwiochen den injiziorenden
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Of*GlNAL
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Elektroden 2, 5 und 3» 6 bolder ^lektrodenpaare und der andere
Kreis wit einer Speioequelle zwischen den kollektiorenden
JJlektroden 20, 21 und 22, 23 beider Paare verbunden sind}
die beiden Kreise oind dann über den photoempfindlichen Körper galvanisch miteinander gekoppelt· Der eine Kreis kann dabei
auf eine gfln:;ti/;e Injektion und der andere Kreis auf
eine günstige Kollektion eingectellt v/erden·
Ks sei noch bemerkt» daß auch bei einem 3pannungsunt er schied
außerhalb des erwähnten Bereiches, z, £. bei einem Kurzschluß
zwischen den Elektroden Jedes Paares, noch verschiedene Torfe teile, -tie Yerbeonerung der Strom-Spannunga-Kennlinie, eine
Stronger Stärkung u. dgl. im Vergleich zn den bekannten Vorrichtungen
erzielbar sind, so daß eine solche Vorrichtung mit kurzgeschlossenen elektroden in jedem Paar z. B. sowohl für
Gl ei ch apannun^ o- al π auch für ήβ ehe el Spannungsbetrieb vorteilhaft benutzt werden kann. Unter Aufrechterhaltung der
Spannung, die praktisch gleich der Schwebeaponnung ist, sind
außerdem eine noch größere Verringerung des Dunkolstromea,
eine weitere Kürzung des Hbstandee zwischen den Elektrodenpaaren
und eine verbesserte Linearität bis zu noch höheren Spannungen erzielbar.
An Hand der Fig. 6 bis 8 v/erden nachstehend beispielsweise
Meßergebnisse der in Pig. 6 dargestellten Ausführungsform eines
iiclmlteiementea nach der Erfindung näher erläutert·
Bei dem photoempfindlichen Schaltelement, das sohematlsch im
Schnitt in TIg. 6 dargestellt lat, besteht der photoempfindliche
Körper 1 aus oohwach p-leitendein Llnkristallgermanium
mit einem spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm.cm, was bei
180C, ohne Belichtung einer tiberwiegenden LUeherkonzentratlon
von etwa 2.10 * pro cm? entspricht. Der Körper hat dio Gestalt
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H64315
-yf-
eines Streifβηβ mit einem Querschnitt von etwa 1 m χ 0,2 nm
und einer L*.'nge von etwa 15 min. An den 1 vm breiton Seiten
des States 2 sind an den Enden zwei Paare Elektroden featlegiert.
Auf der oberen Seite sind zwei iSlektroöen des p-Typs
angebracht, die durch Kontakte 20 und 3 gebildet worden, welche
aus PbGa (0,5 Gewichtsprozent Ga) und den zugehörigen, rekrirtallisierten
Zonen 21 bzw. 6 doc p-2yps mit einer Stärke
von etwa 4 /U bestehen, die eine Ga-i.onzentration (und eine
entsprechende Löcherkonzentration) von ca. 10 pro ca5 haben·
Auf der unteren Seite, gegenüber den erstgenannten iilektrodon
2 0, 21 und 3» 6 dos p-Typs sind zwei Elektroden des n-Typa angebracht, die durch die kontakte 2 bzw. 22 gebildet v/erden,
die aus einer ELeiantimon-Legierung (2 Gewichtsprozent Ob)
und den zugehörigen rekristallioierten !ionen 5 bsw. 23 des
n-Iyps mit einer Stärke von etwa 4 /u bestehen, die eine
Antimonkonzentration (und eine entsprechende Elektronerikonzentration)
von etwa 10 ^ pro cnr haben.
Infolge der hohen Löcher- bzw. ELektronenkonzontration sind
die Elektroden 20, 21 und 3, 6 des p-Typs bzw., die Elektroden
2, 5 und 22, 23 des η-Typs besonders gut dazu geeignet, Löcher bsw. Slektronen zu injizieren und zu kollekteirenf die
Elektroden des n-Typa und auch die des p-Typs haben eine praktisch
gleiche ftusfiihrungeform, so daß sie in besug auf dio injizierende
und die kollektierende Funktion umtauachbar sind.
Die Elektroden werden dadurch erhalten, daß die ßnJ sprechenden
Legierungen in Fona einer Kugel mit einem Durchmesser von
etwa 250 /U auf den örper 1 bei einer Temperatur von etwa
700°0 w.::lhrend 5 üinuten in einer Wasceratoffatmosphüre aufgeschmolzen werden.
Die Beweglichkeit al der Löcher bzw. der Elektronen betrügt
in diesem Germanium 1800 exa /Vsec b;/w. 360C cm /Vaec. Da Ger-
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ψ O
mnnium ei&ei; verlil'ltniBS'iiii^ kleinen Bandahstand von etwa
0,72 eV hat, ict er; besondere empfindlich für Infrarotstrahlung
mit einer . cJ.lenli'n^e von z. E. 1,8 /U, v/obei eine
praktisch gleiche JJlalctronen- und Löcherlconzentration auscelö^t
vird, so daß die Löcher- und Taektronenleitf"his;keiten
1., flctific!· gleicher Größenordnung nind. Pie GrPSo einer
TiiffueioRn-Eeliorit3n!-.tionBl.*;nire l;etr"gt bei einer Lebenndauer
von etwa 10 oec. otv/a 1 ram in dem JT.wiachengebiet 4, so drU
der Abstand zv/iychor. den ülcktrodensonen in jeden Tatir etwa
C,2 IiffunionD-Bol;onLi]ifi1.ior!ßl!lnßen beträfi;, vr'Uironß der /ib-Gti^ncl
n/iGchen der. Dlol-troclenpaaron etwa 13 ran int, v;;in etv/a
13 Dif f UBionr>·^« Iror :l)in;'t ionsli"2i£;eri ent spricht ·
An den photooii-finOlichon r.chidtelenent nach ri{>
6 \/urden bei ;iirOTorteT:.]"Gratur (etwa 180C) verschiedenen tteanwitiar, in
vorsel mieden en nclirltungcn vorcenotinen, \7ob0i dor jl.o to erv-f Endliche
f>rri;cr {itv/echoelna in Punkelheit und bei BeotrnJiluns
mit einer Infraxoti.;ti\Mjiluncsq.uelle gemesnen mir de, die aus
oin<?r .olfranbiindlrmpe nit einer ?,-irbteraperatur von ?c?00° K
bo3tand, vor der oin Interferensfiltor nit einem maximalen
3)iirch].aß von etwa 10^ bei 1,0 /u und einer Eurchlaßbroitc von
0,1 /U an<j;eordnot w^ir. Die utralilung traf die ßfaizo obere Seite
üea UrptiPö nit einer praktiacli gleichmäßigen Inton8itüt
von etv/a 1,615 nV,/cm , waa riit RcflexionskorroJrtur eine
£ von etv/a 1 iiw/cm an der Grermaniuriob erflä ehe
Die lfeßergebnißae sind ^raphißch in den zueinander gehörenden
Fifoiron 7 und 8 dorgostellt. In beiden Figuren 7 und 8 ict
»-J.D ibozißse die zwinchen den beiden Elelctroden αη,-elegte
üHiamuns i3i Volt für beide Polaritäten aufgetragen, vriihrcmd in
Piß. 7 vIb (1>rdinate die bei Bestrahlung auftretende Stromotärke
I1 ab.T'i^lich der im dunkel auftretenden Stromctilrlce
Id I11 ^uA. iind in Pig. 8 ein Ordinate das V-rhnitnie I.,/Id in ?ί
aufgetragen int.
909810/046 8 . "41-
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ψ Μ
Die verschiedenen Kennlinien beziehen uieh jeweils zxd. ei>ie
andere i'rt der Schaltung. Piß, 7 zeigt Daten Über den iTutzphotoctrora
I-*-I^ eis Punktion der Spannung sv/iachen den Elektroden
und Pig· 8 stellt den Vorlauf dee Verhältnisses zwis
chen Photostrom und Dunkelstrom I^/Ig dar· Die bei einem
bestimmten äehaltungsverfahren zueinander gehörenden Kennlinien
der Fig. 7 und 8 sind mit der gleichen Eßzugenummer
und dem gleichen Buchstabenindox bezeichnet, v/obei in Flg. 7
der Buchstabe groß (z. B· A) und in Fig· 8 der L'uchstabe
(z. B· a) klein geschrieben ist.
Die Kennlinien 41A der Pig. 7 und 41a der Fig. 8 beziehen
sich z. B. ,1Uf eine Messung, bei welcher das Schaltelement
nach Pig. 6 gemäß der Erfindung in der an Hand der Pig. 1 beschriebenen
Weise verwendet wurde. Zu diesem Zweck wurde lediglich zwischen der iSlektrode 2, 5 des η-Typs und der KLektrode
3, 6 des p-Typs gemessen, während die Elektroden 20,
und 22, 23 nicht benutzt wurden. Die Spannung wurde zwischen diesen Elektroden derart angelegt, daß die Lilnusklemme der
Batterie mit der Elektrode 2, 5 dos η-Typs und die Plusklemme
mit der Elektrode 3, 6 dee p-Type verbunden wurde, so daß
beide Elektroden in der Injektionsrichtung polarisiert waren. Aus dem Verlauf der Kennlinie 41A ist deutlich zu entnehmen,
daß die Strom-Spannunge-Kennlinie praktisoh linear bleibt
und daß (I1 - Id) linear mit der Spannung 7 zunimmt, was außerdem bedeutet, daß, da dl· Bestrahlungsintensität konstant ist,
die Leistungsverstärkung und die Stromverstärkung praktisch linear mit der Spannung zunehmen. In Pig. β zeigt die Kurve
41a den Vorlauf dee Verhältnisses I-j/l^ unter den gleichen
Bedingungen.
Vergleichsweise sind in den Pig. 7 und 8 auch die Kurven 41B und 41b dargestellt, welche sich auf die gleiche Schaltung
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U -fr-
wie die ll-arüiliiiien 41Δ und 41a beziehen, wobei jedoch der
Unterschied vox-lio^c, daß die Batterieklermen umgetauscht
Bind, co da- die ./ioktrodtm 2, 5 und j$ 6 auf die für bektainte
hotodiodcn übliche »tioe in tier Sperrichtung geschaltet
sind und die Zufuhr titer die Elektroden somit gehemmt
wird· Me urvo 41.0 zeigt daher bereits bei 1 V eine Sättigung
in ihrem Vtrlauf, ähnlich wie den bekannten j^hotodioden und der
.sutaphotoötrom (I- - I^ ) nimmt von etwa 1 V ab nur sehr wenig
zu, da der bferomverstärkungofaktor infolge der begrenzten Zufuhr von Ladungsträgern praktisch nicht den i/ert 1 überschreiten
kann. Zwar int das Verhältnis I-j/I^ nach Kurve 41b der
Fig. 8 günstiger ala in der Kennlinie 41a, obgleich (Ve Kurve
41b sich stärker in dein betreffenden Spannungsbereich ändert, aber aus einem Vergleich
<Xor Kurve 41A und der Kurve 41B iet
ersichtlich, daß die Vorrichtung nach der Erfindung einen großen Gev/inn an Linearität und Strom- und Leistungeveretärkung
ermöglicht. latsächlich ist das Verhältnie zwischen diel
ijtromatHrken der /.urvo 41A und der Knrve 41B bei der gleichen
Spannun ; pratctloch gleich dem Stromvcrstärkungefaktor, wenigstena
in dem Bereich von mehr als 1 V·
Die Kennlinien 42A und 42B der Pig. 7 und 42a und 42b der
Fig. 0 beziehen sich auf eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei der dnc ^Schaltelement nach Pig. 6 beim Kurzschluß der
Slektrodei 20, 21 und 2, 5 einerseits und der Elektroden 22,
23 und 3» 6 anderarseits gemessen wurden, während zwischen
diesen ülektrodenpaaren die Spannung angelegt und der Gesamt strom I1 bei Bestrahlung und I^ bei Dunkelheit gemessen
wurde. Die Kennlinien 42A und 42B b»w. 42a und 42b entsprechen der gleichen Schaltung, wahrend nur die Batterie entgegengesetzt
polarisiert ist. In einer Polungsrichtung mit
der Pluskleiame an dem uJlektrodenpaar 2, 5 und 20, 21 und
der Minueklenane an dem Elektrodenpaar 39 6 und 22, 23 dienen
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die Elektroden 20, 21 unö 22, 23 ala Löcliar bav/. 31ektronon injizierende Elektroden, während die Elektroden 2» 5 und 3, C
file Elektronen b-w. Löcher kollektiorende Elektroden oieneuf
in der entgegengesetzten χ olungsricht uq cind leüiglich die injizierende
Jftmktion und die kollektierende itanktion uta<jetauseht·
Da die Elektronen injizierende üLcktrode und die iüüktronen
kollektiörende Jüektrode, ähnlich wie die Lüdier injizierende
Elektrode und die löcher kollekticrende jblekfcrode praktiecii
gleicher \usfi3hrungefona Bind, sind die ilrimlinieii 42A und 42B
der Pig· 7 und 42a und 42t>
dor .irig. 8 pralct.iach syuimetrinch
für beide Polungeriohtuni^en, Daher kann die Vorrichtung noch
der Erfindung in dieser Form mit v/echselotrom v/älirond der gaazen
Periode wirksam betrieben werden. Dicoe Vorrichtung nach
der Erfindung hat, wie diea auo doaa Verlauf der i-ennlien 42A
und 42B der i*ig. 7 ersichtlich ifjt, für beide Polunssrichtuöcen
eine praktiech lineare, gUnatitie Strom-bpa;anungG-:"Qnn.linlef
wobei die Stromatürke (und somit auch die Stromverstärkung)
praktinch linear mit der Spannung zuniiomt. Aue den Kennlinien
42a und 42b der T±r>· 8 ergibt eo sich außerdem, daß das Verhältnis !«j/Iß in dem angegebenen Spannungobereich konstanter
ist als bei den Kennlinien 41a und 41b·
Die Kennlinien 43A und 43B der FiG· 7 und 43a und 43b der
Piß· 8 boziohen sich auf eine Vorrichtung nach der Erfindung,
bei der daa οohaltelement nach i'ig. 6 in der in X11I^· 2 dargestellten
Weise benutzt wurde. Lie angegebencai atroraetjirken I-
und I^ stellen dio Summen der in zv/ei äußeren .!reisen gemessenen Ströme als Jfunlttion der Batt eri eapaimungen dar, die in beiden
Kreisen gleich gewählt wurden. Durch Verwendung von zwei getrennten Kreisen stellt sich zwischen den Elektroden jedes
Paaree selbsttätig die Schwebeepannung ein, die im vorliegenden PaUe etwa 15 nV betrug, wobei die positive <;olaritiit an
den iClelrtroden des p-Typs lag· Die gleichen Kennlinien gelten
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0 9 8 10/0468 B*D OR/GINAL
auch für die Schaltungen nach rig· 3 bie 5» wenigstens, wenn
die iilfoimpedansen 20 gewühlt werden, so daß sich praktisch
die gleiche Schwebespannung mit der richtigen Polarität einotellt.
Für dieao Axt der schaltung nach der Erfindung ist
der Vorlauf öqt Gtrora-Spnnnunf-G-PLennlinie besonders gut linear
und auch dio Stromverstärkung ist sehr günstig. Außerdem ergibt sich, was aus Fig. 8 ersichtlich ist, der Vorteil,
da<3 die Kennlinien 43a und 43b in dem angegebenen Spannungsberoich
einen günntigon konstanten wert τοη I-j/l^ annehmen,
der auch bei hohen S^pjinungen konstant ist, wälirend in bezug
auf den Dunkelstron die Ergebnisse gUnatiger sind als die
Kennlinien 41a, 42a und 42b. Auch diese Torrichtung nach der Erfindung eignet aich z, B, in der Schaltungsanordnung nach
5 besonders gut für V/echselstrombetrieb,
Vergleichsweise sind in den Fig. 7 und 8 auch die Kennlinien
4OA und 4OB bzw. 40a und 40b dargestellt, wobei das !Schaltelement
nach Pig. 6 sswischen den zwei η-Typ Elektroden 2, 5 und 22., 23 des η-Typs gemessen, während die HLektroden 3, 6
und 20, 21 nicht angeschloosen waren. Mir diese Schaltung,
der nicht orfindungsgemäß ist, da nicht zwei injizierende
Elektroden entgegengesetzten Leitf.fliiigkeitetyps verwendet
werden, tritt ähnlich wie bei der Kennlinie 4OB für eine einzige lolungsrichtung, nunmehr für beide Polungsrichtungen
eine ungünnti^o, sättigende ötrom-öpiinnungs-Kennlinis mit
einer ungünstigen, niedrigen Strom-veratärkung auf. Eine
ähnliche, sättigende Kennlinie wurde bei Meeaung zwischen
den Elektroden 20, 21 und 3, 6 gefunden.
Aus dom Vorstehenden zeigt e3 sich, daß die Kennlinien 41A,
42A, 42B, 43B, dio sich auf die Vorrichtung nach der Erfindung
beziehen, oich besonders giinatig durch eine gute Linearität
der Stront-opmrnunga-Kennlinie und durch eine günstige,
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vergrößorte Stromverstärkung unterscheiden, wahrend die
Schaltungsanordnung gemäß den kennlinien 43A, 43B und 43a und
431> wegen des günstigen Dunkel ströme β zu bevorzugen ist.
oei in dieser Beziehung noch bemerkt, daß das Verhältnis j^
nach »unsch größer gemacht werden kann« indem eine engere
Strombahn in dem Zwischengebiet verwendet wird, z. B. ein· dünne Schicht, für die ein Halbleiter mit einer kleineren Abweichung von der Eigenleitung oder ein Halbleiter mit größerem
Bandabatand oder ein Halbleiter mit einem verhältnismäßig kleinen Bandabstand verwendet wird, der bis auf z. B. -7O0C
gekühlt wird. Zwar 1st bei den Kennlinien 41A, 42A und 42B die iitronntärke und die Stromverstärkung noch etwas günstiger
als bei den Kennlinien 43A und 43B, aber der Verlauf der Kennlinien 43.1 und 43B ist günstiger in bezug auf die Linearität,
und das Verhältnis Ij/I^ let erheblich günstiger bei den letztgenannten Kennlinien, insbesondere bei höheren Spannungen·
Es sei sohlieeiloh noch bemerkt, daß innerhalb des Böhmens
der Erfindung noch verschiedene vorteilhafte V/eiterbildungendem Pachmann möglich sind. Es kann 0. B. die Form des photoempfindlichen Körpers anders gewählt werden, auch können dl·
Elektroden auf andere VeIse gegenüber einander, z. B, auf
einem wenigstens teilweise ringförmigen Körper, angebracht werden. ISe ist möglich, etwaige Hilfewider et finde in die Elektrodenzonen des Halbleiterkörpers einzufügen oder die Elektroden jedes Paares nicht gegenüber Inander, sondern etwas versetzt zueinander anzubringen. Statt der Hilf aimpedanaen können
z. B. auch zusätzliche Spannungsquellen zwischen den Elektroden jedes Paares eingeschaltet werden, um die Bchi/ebespannung
zwischen diesen Elektroden aufrechtzuerhalten.
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Claims (1)
- Patentansprüche ιj 1. Photoempfindliche Halbleitervorrichtung mit einem ^idiotoempfindlichen Schaltelement und einem mit Elektroden versehenen, photoerapfindlichen Körper, bei der mittels einer in einen äußeren Kreis eingefügten Speiaequelle Potentiale an mindestens zwei Elektroden angelegt werden und bei der ein Stromweg in dem Körper vorhanden ist, dessen Impedanzänderung in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung in dem äußeren Kreis benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das photoempfindliche Schaltelement einen photoempfindlichenfc Körper rait einem praktisch eigenleitenden oder schwach störstellenleltenden Halbleitergebiet umfaßt, in welchem bei Bestrahlung die Löcherleitung und die Elektronenleitung praktisch der gleichen Größenordnung sind, wobei mindestens zwei durch das erwähnte Gebiet getrennte Elektroden für die Stromzufuhr an den Körper vorhanden sind, von denen eine Elektrode im wesentlichen nur Elektronen und die andere Elektrode im wesentlichen nur Löcher in das erwähnte Gebiet injizieren kann, während mittels mindestens einer äußeren Speisequelle über die Elektroden eine Spannung an das Zwischengebiet angelegt wird, wobei die erwähnte injizierende Elektrode wenigstens zeitweilig in der Vorwärtsriohtung geschaltet ist, sok daß die Löcher und die Elektronen wenigstens örtlich in dem Zwischengebiet eine praktisch gemeinsame Strombahn durchlaufen, deren Impedanz durch Bestrahlung des Zwischengebietes beeinflußt wird.2, Photoempfindliehe Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer Stromverstärkung über die Elektroden an das Zwisohengebiet eine so hohe Spannung angelegt wird, daß die mittlere Übergangszeit der Ladungsträger zum Durchlaufen der Strombahn in dem Zwischen·· gebiet kürzer als die mittlere Rekombinatlonslebensdauer die ser Ladungsträger in dem Zwischengebiet 1st.909 810/0468 ,_BAD ORIGINALΤΓ Η643153· Photoerapfindliche Halbleitervorrichtung nach Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der photo— empfindliche Körper eine p-i-n- oder auch eine p-s-n-Struktur hat, wobei die p- und die η-Zone mit den zugehörigen Kontakten die erwähnten injizierenden Elektroden bilden, während die gemeinsame Strombahn sich In dem eigenleitenden (i) oder auch sehwach βtürsteilenleitenden (b) Halbleiterzwischengebiet zwischen diesen Elektroden, auf das die Strahlung einfällt, befindet und daß in dem äußeren Kreis zwischen dienen Elektroden wenigstens zeitweilig eine Spannung erzeugt wird, die an der Löcher injizierenden Elektrode positiv gegenüber der Elektronen injizierenden Elektrode ist·4· Photoerapfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch Jj 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden injizierenden Elektroden, länge der Strombahn dem Zwischengebiet gemessen, mindestens fünf Diffusions-Rekombinationslängen, vorzugsweise mehr als zehn Diffuaions-Rekorabinatione— län{;en beträgt·5· Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierenden Elektroden sioh über Übergangsschichten, die eine im Vergleich zu dem weiteren Seil des Zwiachengebietes erhöhte Konzentration an Rekorabinationszentren für die zu kollektierenden Ladungsträger der betreffenden Art enthalten, an das ZwI- | sciengebiet anschließen·6. Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Zwischengebiet in der Umgebung von mindestens einer der erwähnten, injizierenden Elektroden mit mindestens einer gesonderten, kollektierenden Elektrode versehen ist, welche Ladungsträger eines Typs aus der gemeinsamen Strombahn abführt, der den Typ der durch die betreffende injizierende Elektrode injizierten Ladungsträger entgegengesetzt ist·BAFi
309810/0468 A/Q/^t - 48 -H643157. Phot©empfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen photoercpfindliehen Körper mit einem praktisch eigenleitenden oder schwach atörstellenleitenden Halbleitergebiet, sowie nindeetens zwei durch dieses Gebiet voneinander getrennte Elektrodenpaare enthalt, von denen ein Paar eine im wesentlichen nur Elektronen injizierende Elektrode und eine gesonderte löcher kollektierende Elektrode enthält und dae andere Paar eine iii wesentlichen nur Löcher injizierende Elektrode und eine gesonderte Elektronen kollektierende Elektrode enthält, wobei durch das Anlegen von Potentialen an diese Elektroden über dem erwähnten Zwischengebiet wenigstens zeitweilig eine Spannung aufrechterhalten wird, wodurch in diesen Zwisohengebict wenigstens örtlich eine für Löcher und Elektronen praktisch gemeinsame Strombahn vorhrmder- iit, deren Impedanz durch Bestrahlung des Zv/ischengebietes beeinflußt wird.8. i'hotoempfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dab die Jcollektiereride Elektrode durch eine Elektrode gebildet wird, die im wooentliclien lediglich die Ladungsträger dec betreffenden Typs kollelctieren kann.9- Photoer-ipfindliche Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 0, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher injizierende Elektrode und die Löcher kollektierende Elektrode durch je eine p-leitende Zone mit zugehörigem Kontakt und die Elektronen injizierende Elektrode und die Elektronen kollektierende Elektrode durch je eine n-leitende Zone mit zugehörigem Kontakt gebildet werden.10. Photoeinpfinflliche Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9t dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger eines bestimmten Typs injizierend·-49-SLQS8in/0A6 8 BAD ORIGINALΠ H64315Elektrode und die Ladungsträger dea gleichen Typs kollektierende Elektrode der verschiedenen Paare praktisch einander gleich ausgebildet sind.11. PhotoeiapfIndllche Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierende Elektrode und die kollektierende Elektrode jede» Paares sich in einen Abstand von maximal fünf Diffusions-Rekombinationslängen, vorv.uguweiae maximal drei Diffusiona-IlckoiabinationBlänfion, voneinander befinden«12· Pliotoerapfindliche Halbleitervorrichtung nach einem odor mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, » daß die Blektrodenpaare eich in einem Abstand von mindestens drei Diffusions-Rekoabinationslängen befinden»13. Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, da» die Strahlung nicht nur das Zwiachen^ebiet, sondern auch die zu den Elektroden gehörenden Zonen trifft·14· Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daü zwischen der injizierenden Elektrode und der kollektierenden Elektrode jedes Paares in dem äußeren Kreis eine Spannung aufre-ohterhalten wird, die die gleiche Polarität "wie die bei Bestrahlung zwischen diesen Elektroden auftretende Schwebespannung hat, wobei die Größe dieser Spannung zwischen der halben Schwebespannung und dem Bandabstand des Zwischengobietes liegt und vorzugsweise praktisch gleich dieser Schv/ebespannung ist·15· Photoeiapf indliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufrechterhalten der erwähnten Spannung zwei äußere Kreise benutzt werden, von- 50-9 0 9 8 10/0468 *AD °*fOtNALdenen einer eine üpeiaequelle enthält und zwischen der Elektronen injizierenden Elektrode eines Paarea und der Elektronen kollektierenden !elektrode des anderen Paares angeschlossen iot, während der andere Kreis eine vorzugsweise ähnliche iJpeisequelle enthält und zv; lache η der löcher kollabierenden Elektrode eines Paaren und der Löcher injizierenden elektrode dee anderen Paares angeschlossen ist, wobei die Kreise über den photoempfindlichen Körper miteinander gekoppelt Bind.16. Photoeanpfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden jedes Paares mit einer rer-ieinsamen opeice<iuelle und einer gemeinsamen Belastungsiripedanz verbunden sind, wobei die Verbindungsleitune zu mindestens einer der Elektroden jedes Paares eine zusätzliche Hilfsimpedanz enthält, mittels derer die erwähnte ipannunr; zwischen die Elektroden jedes Paares angelegt wird.17. Photoenpfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, da!? die femeinsame Speisequelle eine oleichspannim^squelle ist und daß die Hilfsimpedanzen in Form von Widerständen in die Verbindungaleitungen zu den kollektierenden Elektroden jedes Paares eingefügt sind.18. Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Speisespannunnoquelle durch eine Wechselspannungsquelle gebildet wird und daß die Hilfsimpedanzen durch Trennkondensatoren gebildet werden.19· Photoempfindliche Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkondensatoren mit dem photoempfindlichen Körper dadurch zusammengebaut sind, daß bei mindestens einer der Elektroden jedes Paares der- 51 -909810/0468BAD ORIGINALKontnkt kapazitiv mit dor zu dor Electrode gehörenden Zone dee Körpers verbunden ist.20. PhotoompfindlichoB Schaltelement zur Verwendung in einer photoempfindlichen Halbloiteevorriclrtung naoh einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, daduroh gekennzeichnet, daß es einen photoerapfindlichon Körper nit einem pr.-tfctiGch eigenleltenden oder schwach störstellenleitenden licJ-bleitergebiet enthält, in dem die bei Bestrahlung auftretende Elektronenleitung und Löcherleitung praktisch der gleichen Größenordnung sind, wobei mindestens zwei durch das erwähnte Gebiet getrennte Elektroden für die !Stromzufuhr an den Körper % vorgesehen sind, von denen eine Elektrode im wesentlichen lediglich Elektronen und die andere Elektrode im wesentlichen lediglich Löcher in das erw'ihnte Gebiet injizieren kann, während der Abstand zwischen diesen Elektroden, lon rs der Strombahn durch das erwähnte Zwischengebiet gemessen, mindestens fünf Biffusions-Rekomblnationslängen, vorzugsweise mindestens zehn Blffueione-Relcombinationslängen beträgt»21. Fhotoempfindliches Schaltelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der photoem;findliche Körper in Form einer p-i-n- oder einer p-s-n-Struktur ausgebildet ist,wobei die p- und die η-Zonen mit den zugehörigen Kontakten |die erwähnten injizierenden Elektroden auf dem praktisch eigenleitenden (i) oder schwach störstellenleitenden (s) Zwischengebiet bilden·22. Photoempflndliohee Schaltelement nach Ansprüchen 20 und/oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierenden Elektroden durch bergangsschichten, die eine im Vergleich zu dem weiteren Teil des Zwischengebietes erhöhte Konzentration an Rekombinationszentren fitr die zu kollektierenden La*-52-909 8 1 0/0468 *** OriqINaliddungBträger dee betreffenden Type enthalten, eich an das ZwI-•ohengebiet anschließen·23. Photoenpfindllcliee Schaltelement but Verwendung ir. einer photoenpfindlichen Halbleitervorrichtung naöh Anspruch 6, dadurch gekonneeichnet, daß cb einen photoeopfindliolien Körper mit einem praktisch eigenleitenden oder schwach otüretellenleltenden Ilalbleitergebiet enthält, wobei dl· bei Bestrahlung auftretende Elektronenleitung und die Löcherleitunc eier gleichen Größenordnung eind, wobei weiter Bindest ens ewei durch das erwähnte Gebiet getrennte Elektroden far die StromBUfuhr an den Körper vorhanden sind« von denen «Ine Elektrode im wesentlichen lediglich Elektronen und die andere im wesentlichen lediglich Löcher in das erwähnt· Gebiet injizieren kann, wUhrond das erwähnte Zwieohangebiet In dtr ümßebuns von mindestens einer der erwähnten injizierenden HLektroäen mit mindosteno einer gesonderten» kollektierenden Elektrode Versehen 1st, v.elohe Ladung st raser eines Typs au· den ZwI-schengebiet kollektieren kann, der dem Tjp der dureh die betreffende Elektrode eu inJleierenden Ladungsträger entgegengesetzt ist.24· Fhotoempfindliohes Schaltelement naoh Anspruch 23, eur Verwendung in einer Torrichtung naoh einem oder «ehreren der Anaprüohe 7 bie 19* dadurch gekennroichnet, daß der photoempfindliche Körper mindestens ewei durch das erwähnte Zwischen* gebiet voneinander getrennte Elektrodenpaaxe enthält, von denen ein Paar eine Elektrode, die im wesentlichen lediglich Elektronen injleleren kaum und eine gesondert· kollektierende ELektrode besitst, dl· Löcher aus d«a Zwisohenf·»!·* abfuhren kann, während das ander· Paar «in· Elektrode, 41· Im wesentlichen lediglich Löcher injizieren kann, «ni «ine gesonderte kollektierende Elektrod· besitsl, w«loh« Ilektronen aus dem Zwisohangeblet abführen kann·909810/0^68 -53-BAD ORIGINAL5"3 " U6431525· Phot ο empfindliche β Schaltelement nach Anspruch 24» dadurch gekennzeichnet, daß die kollektiorenden Elektroden duroh Elektroden gebildet werden, die im v/eoentlichen lediglich die Ladungsträger des betreffenden Typs kollektioren können.26. Photoempfindliches Sch tilt element nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 25» dadurch gekennzeichnet, daß die Lochor injizierende Elektrode und die Lücher kollektierende Elektrode durch je eine p-loitende Zone mit zugehörigem Kontakt und die Elektronen injizierende Elektrode und die Elektronen kollektierende Elektrode durch je eine n-loitende Zone mit zugehörigem Kontakt gebildet werden.27· Photoempfindliches Schnltelement nach oinem oderpehre-ren der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierende Elektrode und die kollektierende Elektrode mindestens eines Paares» vorzugsweise beider Paaro in οin am Abstand von maximal fünf Mffueione-Rekombinationslängen, vorzugsweise maximal drei Diffuaions-Rokombinationslängen voneinander entfernt sind.28« Photoempfindliches Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprache 24 bis 27» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Elektrodenpaaren, gemessen längs der Strombahn, mindestens drei Diffusions-Rekoinbinationelüngen beträgt·29· Photo empfindliches Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß Littel vorgesehen sind, duroh welche die Strahlung nicht nur auf das Zwischengebiet sondern auch auf die zu den Elektroden gehörenden Zonen dee Körpers gerichtet werden kann·30. Photoempfindlichee Schaltelement nach eine» oder aehre-1Q/Q468BADORIQtNA*· - 54 -- 5-r-reii der Aneprüohe 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß dl· Ladungsträger eines bestimmten Typs injizierende Elektrode und die Ladungsträger des gleichen Typs kollektierend· Elektrode der verschiedenen Paare praktisch ähnlich auegebildet sind.31. Photoenpfindliohes Schal toi ement nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß Trennkondenaatoren mit dem photoempfindlichen Körper dadurch gebaut sind, daß bei mindestens einer der Elektroden jedes P ree der Kontakt kapazitiv mit der zu der Elektrode gehörenden Zone des Körpers verbunden ist·909810/0468BAD ORIGINAL
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