DE1614535B2 - Fotowiderstand fuer strahlungen einer wellenlaenge groesser als 8my - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fotowider- Wellenlängen oberhalb 8 μ geeignet sein kann, dessen

stand aus einem Halbleitermaterial, das zueinander Widerstand sich mit der Intensität der einfallenden

parallel ausgerichtete nadelartige Einschlüsse aus Strahlung ändert.

einer zweiten, elektrisch besser leitenden, metallisch Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geabsorbierenden kristallinen Phase enthält. 5 löst, daß die besser leitenden Einschlüsse für den Halbleiterfotowiderstände stellen einfache Bau- Nachweis von Strahlen mit einer Wellenlänge größer elemente zur Registrierung elektromagnetischer Strah- als 8 μ einen Abstand voneinander haben, der gleich lung dar. Zur Registrierung der Strahlung wird dabei oder kleiner als die Vakuumwellenlänge der zu empdie Änderung des elektrischen Widerstandes des fangenden Strahlung ist. Durch die in die halbleitende Halbleiterkörpers unter dem Einfluß der Strahlung io Phase eingebetteten Einschlüsse wird erreicht, daß ausgenutzt. Die Empfindlichkeit der Halbleiterfoto- der Halbleiterkristall auch Strahlung absorbiert, für widerstände ist jedoch durch die Lage der Absorp- die Indiumantimonid ohne Einschlüsse auf Grund tionskante des für den Fotowiderstand verwendeten der Lage der Absorptionskante bei etwa 7,2 μ bereits Halbleitermaterials begrenzt, die im wesentlichen durchlässig und daher nicht mehr empfindlich ist. Die durch die Breite der verbotenen Energiezone vor- 15 Einschlüsse müssen im wesentlichen senkrecht zu gegeben ist. So ist etwa Indiumantimonid, das eine dem im Halbleiterkristall fließenden Strom stehen, da der kleinsten verbotenen Zonen aufweist und dessen bei parallel zur Stromrichtung verlaufenden Ein-Absorptionskante bei; einer Wellenlänge von etwa Schlüssen wegen der kurzschließenden Wirkung die-7,2 μ liegt, für Strahlungen einer Wellenlänge von ser Einschlüsse der Dunkelwiderstand des Halbleitermehr als 8 μ praktisch vollständig durchlässig und 20 kristalls zu stark herabgesetzt würde.
daher als Empfänger für Strahlungen einer solchen Geeignete Halbleiterkristalle und Verfahren zu Wellenlänge nicht geeignet. Man hat den Empfind- ihrer Herstellung sind in einem Aufsatz in der Zeitlichkeitsbereich von Halbleiterfotowiderständen in schrift »The Journal of Physics and Chemistry of Richtung größerer Wellenlängen durch Einbau von Solids«, Vol. 26 (1965), S. 2021 bis 2028, im einzel-Störstellenniveaus in das Halbleitermaterial erweitert, 25 nen beschrieben.

die in der Nähe der Kanten des Valenz- bzw. Lei- Der Halbleiterfotowiderstand wird vorteilhaft dertungsbandes liegen. Da diese Störstellenniveaus we- art ausgebildet, daß die Einschlüsse im wesentlichen gen ihrer kleinen Ionisierungsenergie jedoch bei Zim- in Richtung der zu empfangenden Strahlung ausmertemperatur bereits ionisiert sind, lassen sich der- gerichtet sind. Dadurch wird erreicht, daß die Widerartige Halbleiterfotowiderstände nur bei sehr tiefen 30 Standsänderung im Halbleiterfotowiderstand prak-Temperaturen, insbesondere bei der Temperatur des tisch unabhängig von der Polarisation der zu mesflüssigen Heliums, betreiben. Derartige Strahlungs- senden Strahlung ist.

empfänger sind daher wegen des zur Aufrechterhai- Insbesondere Halbleiterfotowiderstände mit Eintung dieser tiefen Temperaturen erforderlichen Kry- Schlüssen aus Nickelantimonid können jedoch auch ostaten verhältnismäßig aufwendig. 35 derart ausgebildet sein, daß die Einschlüsse im we-Es ist ferner bekannt, daß eine halbleitende AⁱⁿB^v- seitlichen senkrecht zur Richtung der zu empfangen-Verbindung, die eutektische Ausscheidungen einer den Strahlung ausgerichtet sind. Derartige Halbleiterzweiten Phase enthält, als Strahlungsempfänger für fotowiderstände bieten die Möglichkeit, Polarisationsoptoelektronische Einrichtungen geeignet ist. Nach effekte bei der Strahlenmessung auszunutzen, da der deutschen Patentschrift 1 214 807 kann der mit 40 Strahlungsanteile, deren elektrischer Vektor in Richnadel- oder scheibenförmigen Einschlüssen versehene tung der Einschlüsse schwingt, bevorzugt absorbiert Halbleiterkörper als Fotoelement verwendet werden. werden.

Geeignete Halbleiter sind insbesondere Indiumanti- An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die

monid InSb und Indiumarsenid InAs. Die im Halb- Erfindung näher erläutert werden,

leiterkörper senkrecht zum erzeugten Strom aus- 45 F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel

gerichteten Einschlüsse können insbesondere aus für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der Er-

Nickelantimonid NiSb bestehen. Es ist aber auch be- findung;

reits vorgeschlagen worden, die Einschlüsse aus Ver- Fig. 2 zeigt die Absorptionskonstante eines Halbbindungen vom Typ CB^v herzustellen (Patentanmel- leiterfotowiderstandes nach Fig. 1 mit Nickelantidung P 15 19 862.2- VPA 65/1120), bei denen C.ein 50 monideinschlüssen und die Absorptionskonstante von Element aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cr, Mn und B^v Indiumantimonid ohne Einschlüsse in Abhängigkeit ein Element der V. Gruppe des Periodischen Systems von der Wellenlänge;

der Elemente, z. B. FeSb und FeAs, CoAs, CrSb und F i g. 3 zeigt die Empfindlichkeit eines Halbleiter-CrAs sowie MnSb ist. Ferner können die Einschlüsse fotowiderstandes mit Nickelantimonideinschlüssen aus Vanadium-Gallium V₈Ga₅ oder aus Gallium- 55 nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
Vanadium-Antimon GaV₃Sb₅ bestehen (Patentanmel- F i g. 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsdung P 15 44 280.5- VPA 66/1084). Dieses zwei- beispiel für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der phasige Material ist als Fotoelement vorzugsweise Erfindung;

geeignet für Strahlungen im Ultrarotgebiet vom Sicht- Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer geeigneten Schalbaren bis zu einer Wellenlänge von etwa 8 μ. Es ist 60 tung für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der Bestandteil eines elektrischen Stromkreises und bildet Erfindung.

somit auch einen elektrischen Widerstand. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterfoto-Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterfoto- widerstand sind die in das aus Indiumantimonid bewiderstand anzugeben, der für Strahlungen einer stehende Halbleitergrundmaterial 1 eingebetteten, Wellenlänge von mehr als 8 μ empfindlich ist und bei 65 schematisch dargestellten nadeiförmigen Einschlüsse 2 Zimmertemperatur betrieben werden kann. Sie be- senkrecht zur Richtung des den Halbleiterkristall im ruht auf der Erkenntnis, daß das bekannte zweipha- Betriebszustand durchfließenden Stromes / und in sige Halbleitermaterial als Strahlungsempfänger für Richtung der zu registrierenden Strahlung 3 ausge-

richtet. Als Kontakte sind zwei beispielsweise aus Kupfer bestehende Drähte 4 vorgesehen, die mit einem niedrigschmelzenden Lot mit dem Halbleiterkristall verlötet sind. Es können beispielsweise auch aufgedampfte Kontakte vorgesehen werden.

Als Halbleiterkristall für den in Fig. 1 dargestellten Halbleiterfotowiderstand ist beispielsweise Indiumantimonid mit 1,8 Gewichtsprozent Nickelantimonid vorgesehen. Bei gerichteter Kristallisation oder beim Zonenschmelzen einer derart Zusammengesetzten Substanz bildet sich ein Eutektikum, in dem sich das Nickelantimonid in Form von parallel zueinander ausgerichteten Nadeln ausscheidet, die etwa 10 bis 100 μ, vorzugsweise etwa 30 μ, lang sind und einen Durchmesser von etwa 0,5 μ besitzen. Der seitliche Abstand zwischen den einzelnen Nadeln beträgt etwa 3,5 μ.

Die elektrische Leitfähigkeit der Nadeln ist größer als die des Indiumantimonids. Während eigenleitendes Indiumantimonid bei Zimmertemperatur eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa 220 (Ωαη)-¹ besitzt, hat das Nickelantimonid eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa 7· ΙΟ-^Ωαη)-¹. Der als Fotowiderstand verwendete Halbleiterkristall kann beispielsweise aus einem größeren Kristall herausgeschnitten werden. Beispielsweise kann der in F i g. 1 dargestellte Halbleiterkristall etwa 0,1 mm stark, etwa 0,7 mm breit und etwa 10 mm lang sein. Derartige dünne und langgestreckte Kristalle werden bevorzugt, da der spezifische elektrische Widerstand des Materials verhältnismäßig klein ist.

Kurve α in Fig. 2 zeigt die Absorptionskonstante eines eigenleitenden Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen, der die eben genannten Abmessungen besitzt. An der Abszisse ist die Wellenlänge / des eingestrahlten Lichtes in linearem Maßstab, an der Ordinate die Absorptionskonstante K des Halbleitermaterials in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Zum Vergleich ist als Kurve b in Fig. 2 die Absorptionskonstante eines eigenleitenden Indiumantimonidkristalls etwa gleicher Abmessungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Wie aus den Kurven klar zu erkennen ist, ist die Absorptionskonstante des Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen bei Wellenlängen von mehr als 8 μ gegenüber der Absorptionskonstante des Indiumantimonidkristalls ohne Einschlüsse wesentlich erhöht.

In F i g. 3 ist die spektrale Empfindlichkeit des gleichen Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. An der Abszisse ist die Wellenlänge λ der eingestrahlten Strahlung in linearem Maßstab, an der Ordinate die Empfindlichkeit E des Halbleiterfoto Widerstandes in willkürlichen Einheiten ebenfalls in linearem Maßstab aufgetragen. Zur Messung wurde monochromatisches Licht verwendet, mit dem der Halbleiterfotowiderstand mit einer Frequenz von 13 Hertz intermittierend beleuchtet wurde. Unter spektraler Empfindlichkeit ist dabei das Verhältnis zwischen Fotostrom und eingestrahlter Strahlungsleistung zu verstehen. Wie F i g. 3 zeigt, nimmt zwar die spektrale Empfindlichkeit dieses Halbleiterfotowiderstandes im Bereich der Absorptionskante des Indiumantimonids leicht ab, bleibt jedoch bei Wellenlängen zwischen etwa 10 und 15 μ verhältnismäßig konstant. Die Eignung des Halbleiterfotowiderstandes als Strahlungsempfänger für Strahlungen einer Wellenlänge von mehr als 8 μ ist aus der Figur klar ersichtlich.

In Fig. 4 ist ein Halbleiterfotowiderstand dargestellt, bei dem die in das aus Indiumantimonid bestehende Halbleitergrundmaterial 11 eingelagerten Nickelantimonidnadeln 12 senkrecht zu dem den Halbleiterkristall durchfließenden Strom / und senkrecht zur Richtung der zu registrierenden Strahlung 13 ausgerichtet sind. Als Kontakte sind wiederum angelötete Kupferdrähte 14 vorgesehen. Der als Fotowiderstand zu verwendende Kristall kann wiederum in geeigneter Weise aus einem größeren Kristall herausgeschnitten sein. Er kann beispielsweise etwa 50 μ stark, 0,2 mm breit und etwa 12 mm lang sein. Bei diesem Halbleiterfotowiderstand kann die unterschiedliche absorbierende Wirkung der Nickelantimonidnadeln auf die verschiedenen Polarisationsrichtungen der Strahlung 13 ausgenutzt werden. Beispielsweise kann bei polarisationsmodulierter Strahlung, mit der etwa eine Signalübertragung möglich ist, der erfindungsgemäße Halbleiterfotowiderstand gleichzeitig die Funktion eines Analysators mit übernehmen.

Insbesondere für den in F i g. 1 dargestellten Fotowiderstand kann auch Indiumantimonid mit etwa 6,5 Gewichtsprozent Manganantimonid vorgesehen sein. Beim gerichteten Kristallisieren oder beim Zonenschmelzen einer derart zusammengesetzten Substanz bildet sich wiederum ein Eutektikum, in dem sich das Manganantimonid in Form von im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Nadeln ausscheidet. Die Nadeln sind etwa 10 bis 100 μ lang, haben einen Durchmesser von etwa 1 μ und einen seitlichen Abstand von etwa 3,5 μ.

F i g. 5 zeigt eine einfache Schaltung zum Betrieb des Halbleiterfotowiderstandes gemäß der Erfindung. Der Fotowiderstand 21 ist bei dieser Schaltung mit einem konstanten Arbeitswiderstand 22 elektrisch in Reihe geschaltet und mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden. Die bei Beleuchtung des Fotowiderstandes 21 auftretende Stromänderung wird über dem Widerstand 22 durch ein geeignetes Meßinstrument 24 gemessen. Durch eine Blende 25, die eine Öffnung für die beispielsweise vom Austrittsfenster 26 eines Lasers ausgehende Strahlung 27 frei läßt, wird der Fotowiderstand 21 gegen aus der Umgebung einfallende Strahlung geschützt.

Zur Unterdrückung von störender Untergrundstrahlung wird der Fotowiderstand 21 vorteilhaft mit Wechsellicht beleuchtet. Falls die Strahlungsquelle selbst kein Wechsellicht ausstrahlt, kann zur Erzeugung des Wechsellichtes vorteilhaft eine rotierende Zerhackerblende 28 vorgesehen sein, welche die zu messende Strahlung vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen etwa 10 und etwa 500 Hertz unterbricht.

Der erfindungsgemäße Strahlungsempfänger eignet sich besonders vorteilhaft zur Registrierung der energiereichen Strahlung des CO₂-Lasers, die eine Wellenlänge von 10,6 μ besitzt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Fotowiderstand aus einem Halbleitermaterial (Indiumantimonid), das zueinander parallel ausgerichtete, nadelartige Einschlüsse aus einer zweiten, elektrisch besser leitenden, metallisch absorbierenden kristallinen Phase (Nickelanti-

monid) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die besser leitenden Einschlüsse für den Nachweis von Strahlen mit einer Wellenlänge größer als 8 μ einen Abstand voneinander haben, der gleich oder kleiner als die Vakuumwellenlänge der zu empfangenden Strahlung ist.

2. Fotowiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Nickelantimonid mit dem Indiumantimonid ein Eutektikum bilden.

3. Fotowiderstand nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Manganantimonid bestehen und mit dem Indiumantimonid ein Eutektikum bilden.

4. Fotowiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse (2) im wesentlichen in Richtung der zu empfangenden Strahlung (3) ausgerichtet sind.

5. Fotowiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse (12) im wesentlichen senkrecht zur Richtung der zu empfangenden Strahlung (13) ausgerichtet sind.

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