DE1614570C

DE1614570C - Semiconductor photo element

Info

Publication number: DE1614570C
Authority: DE
Inventors: Berat Dr 8520 Erlangen Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-04-29

Description

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Das Hauptpatent betrifft ein Halbleiterphotoelement Nadeln haben, können aber auch flächig ausgebildetThe main patent relates to a semiconductor photo element that have needles, but they can also have a flat design

mit photoelektromagnetischem Effekt, dessen Halb- sein.with photoelectromagnetic effect, its half-being.

leiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Rieh- An Hand einiger Figuren und eines bevorzugtenConductor body with essentially perpendicular to the Rieh- On hand of a few figures and a preferred

tung des darin durch den photoelektromagnetischen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläu-The invention is intended to explain the invention in more detail.

Effekt erzeugten Stromes ausgerichteten, elektrisch 5 tert werden.Effect generated electricity aligned, electrically 5 tert.

besser leitenden Bereichen versehen ist. Die Bereiche F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel können dabei speziell aus einer zweiten elektrisch gut für das erfindungsgemäß zu verwendende Halbleiterleitenden Phase bestehen und im wesentlichen parallel photoelement; zur auffallenden Strahlung ausgerichtet sein. F i g. 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit einesbetter conductive areas is provided. The areas F i g. 1 schematically shows an embodiment can specifically consist of a second electrically good for the semiconductor-conductive phase to be used according to the invention and essentially parallel photoelement; be aligned with the incident radiation. F i g. 2 shows the spectral sensitivity of a

Die Erfindung besteht darin, ein solches Halbleiter- io Halbleiterphotoelementes mit einem Indiumantimonid-.The invention consists in such a semiconductor io semiconductor photo element with an indium antimonide.

photoelement als Empfänger für Strahlung mit Wellen- Halbleiterkörper, der Nickelantimonid-Einschlüssephoto element as a receiver for radiation with wave semiconductor body, the nickel antimonide inclusions

längen aus dem jenseits der Absorptionskante des enthält,lengths from the beyond the absorption edge of the contains,

Halbleitermaterials des Halbleiterphotoelementes lie- F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Nernst-Ettings-Semiconductor material of the semiconductor photo element lies F i g. 3 shows the dependence of the Nernst-Ettings

genden langwelligen Bereich zu verwenden. hausen-Spannung an dem gleichen Indiumantimonid-to use the long-wave range. Hausen voltage on the same indium antimonide

Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung 15 Halbleiterkörper mit Nickelantimonideinschlüssen vonThe invention is based on the surprising discovery of 15 semiconductor bodies with nickel antimonide inclusions

zugrunde, daß die Empfindlichkeit von Halbleiter- einer Frequenz, mit der die zu registrierende Strahlungbased on the sensitivity of semiconductors to a frequency with which the radiation to be registered

photoelementen mit photoelektromagnetischem Effekt, moduliert ist.photoelements with photoelectromagnetic effect, is modulated.

bei denen der Halbleiterkörper Bereiche einer zweiten Der Halbleiterkörper 1 des in F i g. 1 dargestellten besser leitenden Phase enthält und diese Bereiche im Halbleiterphotoelementes enthält nadeiförmige, im wesentlichen parallel zur Richtung der einfallenden 20 wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete besser Strahlung ausgerichtet sind, nach höheren Wellen- leitende Einschlüsse 2. Der Halbleiterkörper ist derart längen nicht durch die Absorptionskante des Halb- angeordnet, daß die Einschlüsse 2 im wesentlichen leitermaterials, d. h. des Halbleitermaterials ohne die parallel zur Richtung der einfallenden Strahlung 3 und besser leitenden Bereiche, begrenzt ist, sondern daß senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes B ausgedcrartigc Halbleiterphotoelemente auch gegenüber 25 richtet sind, in dem sich der Halbleiterkörper 1 befin-Strahlung empfindlich sind, deren Wellenlänge im det. Er kann insbesondere zwischen den Polschuhen langwelligen Bereich jenseits der Absorptionskante eines Permanentmagneten angeordnet sein. Die Seitenliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei Wellen- flächen 4 des Halbleiterkörpers 1 sind mit Elektroden 5 längen jenseits der Absorptionskante des Halbleiter- und 6 versehen, an denen die auf Grund des photomatcrials an die Stelle des photoelektromagnetischen 3° elektromagnetischen Effektes bzw. des optisch indu-Effektes ein photothermomagnetischer Effekt tritt. zier.ten Nernst-Ettingshausen-Effektes auftretende elek-Dieser beruht darauf, daß sich unter der Einwirkung trische Spannung bzw. ein entsprechender Strom abgeder Strahlung im Halbleiterphotoelement in Richtung nommen und einem geeigneten Meßinstrument 7, beider Strahlung ein Temperaturgradient ausbildet, der spielsweise einem Oszillographen, zugeführt werden zusammen mit dem auf den Halbleiterkörper wirken- 35 kann.in which the semiconductor body has regions of a second The semiconductor body 1 of the in FIG. 1 contains better conductive phase shown and these areas in the semiconductor photocouple contains needle-shaped, substantially parallel to the direction of the incident 20 substantially parallel to each other aligned better radiation are aligned better, according to higher waveguide inclusions 2. The semiconductor body is so long not through the absorption edge of the half - Arranged that the inclusions 2 is limited essentially conductive material, ie the semiconductor material without the parallel to the direction of the incident radiation 3 and better conductive areas, but that perpendicular to the direction of the magnetic field B expressed semiconductor photo elements are also directed towards 25, in which the semiconductor body 1 are sensitive to befin radiation, the wavelength of which is det. It can in particular be arranged between the pole shoes in the long-wave region beyond the absorption edge of a permanent magnet. The side lies. This is due to the fact that the wave surfaces 4 of the semiconductor body 1 are provided with electrodes 5 lengths beyond the absorption edge of the semiconductor and 6, at which the photoelectromagnetic 3 ° electromagnetic effect or the optically inductive due to the photomatcrials are replaced -Effektes a photothermomagnetic effect occurs. Zier.ten Nernst-Ettingshausen effect occurring elek-This is based on the fact that under the action of tric voltage or a corresponding current of the radiation in the semiconductor photocouple took in the direction and a suitable measuring instrument 7, the radiation forms a temperature gradient, for example an oscilloscope , are supplied together with which can act on the semiconductor body.

den Magnetfeld zu einer Nernst-Ettingshausen-Span- Bei einem Halbleiterkörper mit flächenförmigen,the magnetic field to a Nernst-Ettingshausen-Span- In a semiconductor body with flat,

nung am Halbleiterphotoelement führt. Der Tempe- insbesondere scheibchenförmigen Einschlüssen ausleads to the semiconductor photo element. The tempe- in particular disc-shaped inclusions

ralurgradient entsteht dadurch, daß in dem der Strah- einer zweiten gut leitenden Phase sollen diese Ein-ralurgradient arises from the fact that in the beam of a second, well-conducting phase, this input

lung ausgesetzten Halbleiterkristall durch Strahlungs- Schlüsse so ausgerichtet sein, daß sie im wesentlichentreatment exposed semiconductor crystal be aligned by radiation conclusions so that they are essentially

absorption Wärme erzeugt wird, die mit zunehmender 40 in der durch die Richtung der einfallenden Strahlungabsorption heat is generated which increases with 40 in by the direction of incident radiation

Entfernung von der der Strahlung ausgesetzten Ober- und die Richtung des Magnetfeldes B aufgespanntenDistance from the upper and the direction of the magnetic field B exposed to the radiation

fläche des Halbleiterkörpers abnimmt. Daß in dem Ebene liegen.area of the semiconductor body decreases. That lie in the plane.

Halbleiterkörper mit parallel zur Strahlungsrichtung Als Halbleiterkörper für das in F i g. 1 dargestellteSemiconductor body with parallel to the radiation direction As a semiconductor body for the in FIG. 1 shown

ausgerichteten gut leitenden Bereichen Strahlung einer Photoelement kann beispielsweise IndiumantimonidAligned, highly conductive areas of radiation from a photo element can, for example, be indium antimonide

Wellenlänge jenseits der Absorptionskante des Halb- 45 mit einem Gehalt von 1,8 Gewichtsprozent Nickelanti-Wavelength beyond the absorption edge of the half-45 with a content of 1.8 percent by weight nickel anti-

lcitermatcrials absorbiert wird, war nicht zu erwarten, monid vorgesehen sein. Bei gerichteter Kristallisationlcitermatcrials being absorbed was not expected to be provided monid. With directed crystallization

da das Halbleitermaterial ohne gut leitende Bereiche oder beim Zonenschmelzen einer derart zusammenge-since the semiconductor material has no highly conductive areas or when zones are melted together in such a way

für Strahlung mit Wellenlängen jenseits der Absorp- setzten Substanz bildet sich ein Eutektikum, in demfor radiation with wavelengths beyond the absorbed substance, a eutectic forms in which

tionskante praktisch völlig durchlässig ist. Offenbar sich das Nickelantimonid in Form von im wesentlichention edge is practically completely permeable. Apparently the nickel antimonide is in the form of essentially

wird durch die besser leitenden Bereiche die Absorption 50 parallel zueinander ausgerichteten Nadeln 2 aus-due to the better conducting areas, the absorption 50 needles 2 aligned parallel to one another are eliminated.

auf der langwelligen Seite der Absorptionskante scheidet, die etwa 10 bis 100 μ, vorzugsweise etwa 30 μ,separates on the long-wave side of the absorption edge, which is about 10 to 100 μ, preferably about 30 μ,

wesentlich erhöht. Die im Halbleiterkörper erzeugte lang sind und einen Durchmesser von je etwa 0,5 μ be-significantly increased. The ones generated in the semiconductor body are long and each have a diameter of about 0.5 μ

Nernst-Ettingshausen-Spannung ist proportional zur sitzen. Der seitliche Abstand zwischen den statistischNernst-Ettingshausen tension is proportional to the sit. The lateral distance between the statistical

Größe des Temperaturgradienten und damit auch zur verteilten Nadeln beträgt im Mittel etwa 3,5 μ. DieThe size of the temperature gradient and thus also of the distributed needles is around 3.5 μ on average. the

absorbierten Strahlungsleistung. 55 Absorptionskante des Indiumantimonids liegt beiabsorbed radiant power. 55 absorption edge of the indium antimonide is included

Als Material für den Halbleiterkörper des erfin- Zimmertemperatur bei einer Wellenlänge von etwa dungsgemäß zu verwendenden Halbleiterphotoelemen- 8 μ. Eigenleitendes Indiumantimonid ohne Einschlüsse lcs linden Halbleiter mit großer Elcktronenbcweglich- hat in dem jenseits dieser Absorptionskante liegenden keil Verwendung. Das Halbleitermaterial kann insbe- Wellenbereich von etwa 8 bis 20 μ eine AbsorptionssoncJere eine Λ^ιπΒ^ιν-Verbindung, beispielsweise In- 60 konstante von ungefähr 6 cm"', ist also für Strahlung diumarsenid oder Indiumantimonid sein. Besonders in diesem Wcllenlängenbereich bei den für Halbleitergeeignet als 1 lalblcilermatcrial für das I lalbleilcrphoto- photoelemente in Frage kommenden Dicken praktisch element ist Indiumantimonid mit Einschlüssen einer durchlässig und zeigt bei Bestrahlung keinen zur zweiten besser leitenden metallischen Phase aus Strahlungsmessung ausnutzbaren Nernst-Ettingshau-Nickelanlimonid oder mit Einschlüssen einer zweiten 65 sen-Effekt. Die Absorptionskonstante für Indiumantibesser leitenden metallischen Phase aus Mangananti- monid mit 1,8 Gewichtsprozent Nickelantimonidnionid. Die Einschlüsse können insbesondere die Form nadeln liegt demgegenüber im gleichen Wellenlängenim wesentlichen parallel zueinander ausgerichteter bereich zwischen etwa 300 und 100 cnr¹. Die Absorp-As a material for the semiconductor body of the invented room temperature at a wavelength of about to be used according to the semiconductor photo element 8 μ. Intrinsically conductive indium antimonide without inclusions is found in semiconductors with large electrons that can be used in the wedge lying beyond this absorption edge. The semiconductor material can in particular be a wave range from about 8 to 20 μ an absorption ^{soncJere a ι ιπ} Β ^ιν connection, for example In- 60 constant of about 6 cm "', is therefore dium arsenide or indium antimonide for radiation Indium antimonide with inclusions of a permeable element is suitable for semiconductors as 1 lalblcilermatcrial for the lalbleilcrphoto- photo elements in question The absorption constant for indium anti-conductive metallic phase made of manganese anti-monide with 1.8% by weight nickel anti-monide nionide r ¹ . The absorption

Claims

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tion capability of the semiconductor body is thus represented by the dimensions already mentioned. Significantly increased at the needles, so that when one of the ordinates incidence, the radiation at the contacts 5 and 6 with wavelengths of 8 μ and more occurs a voltage U in mV in a logarithmic temperature gradient in the semiconductor body, on the abscissa the modulation frequency ν of the can. In addition, the Nernst-Ettingshausen 5 incident radiation in kHz is also shown in the logarithic coefficient of intrinsic indium antimonide, the mixed scale. For the measurement, for example, by one-sided heating of an indium, the semiconductor body, which can be determined in a magnetic field of antimonide crystals, through which there was about 9 kilogauss, the needles built in at room temperature were increased by a factor of 20, so with a weakened far below 1 W. Intensity that the semiconductor photo element for wavelengths of io or radiation from a CO ₂ laser that has a wavelength

8 μ and more has an extremely sensitive radiation of 10.6 μ, irradiated. The laser radiation was represents recipient. for modulation through a 20-wing rotating bezel

The thickness d of the semiconductor body 1 should be chopped up as large. As in Fig. 3 shows that the incident radiation essentially occurred up to a modulation frequency of 1 kHz is absorbed within the semiconductor body, and no loss of sensitivity has yet occurred. From this, at least the reciprocal value of the Ab harmonic content of the modulation should also correspond to the absorption constant. An indium antimonide can be concluded that through the semiconductor photo-semiconductor body with nickel antimonide needles with one element also one with a frequency of 3 kHz thickness i / of 100 μ, a width of 0.7 mm and · modulated radiation practically unattenuated a length / of 10 mm, which is shown in a magnetic field B 20. In the case of significantly thicker semiconductor bodies of around 9 kilogauss, for example, in semiconductor bodies with a thickness, for example, as a radiation detector for wavelengths of 0.4 mm and more, it has proven to be very suitable because of those of 8 μ and more. poor heat dissipation even at lower ones

Curve α in FIG. 2 shows the sensitivity of the modulation frequencies of a sensitivity-reducing semiconductor body of the dimensions mentioned from FIG. Semiconductor photocells which are intended for high indium antimonide with 1.8 percent by weight nickel modulation frequencies should therefore have antimonide needles in a magnetic field of about the same thickness as the penetration depth of the one to be registered

9 kilogauss at room temperature (298 ° K). The sensitivity to radiation is no more than about three times more than ordinate; in mV / W · cm, that is, their thickness should not significantly exceed the three-fold amount of the reciprocal absorption radiation in μ on the abscissa, the wavelength λ of the incident radiation, η is the quotient of the constant.

between the contacts 5 and 6 effective electrical As the F i g. 2 and 3 show, is the inventive

rule field strength and the semiconductor photo element to be used in accordance with the incident radiation power on the semiconductor body. The particular sensitivity to ultrared radiation of a wavelength takes on the transition from photoelectromagne- 35 of 8 μ and more to an extremely sensitive radiation effect to the Nernst-Ettingshausen effect in the case of a lungsdetektor, which operates at room temperature that can be removed from the absorption edge of the indium antimonide and still for relatively high speaking wavelength of about 8 μ, but is modulation frequencies sensitive. The bolometer and thermocouple known to date as a beam for longer wavelengths, which are still surprisingly high for this wavelength range and for a sensitive radiation receiver 40, are just as completely sufficient. For comparison, FIG. 2 as if can be operated at room temperature, curve b the photoelectromagnetic sensitivity are, on the other hand, limited in their sensitivity in the exterior of an intrinsically conductive indium antimonide crystal without most cases to modulation frequencies in the range of inclusions in an approximately equal magnetic field of about 100 Hz. One drawn according to the invention. It can be clearly seen that the indium 45 to be used semiconductor photocouple is comparative antimonide without inclusions to a radiation sensitivity up to high modulation with wavelengths of 8 μ and more no longer show frequencies of the known radiation sensitive. Such behavior was initially only received by those who, when operating at very low temperatures, even for the semiconductor body made of indium antimonide, for example the temperature of the one with nickel antimonide inclusions, were to be expected. 50 liquid helium. In the case of the invention

The semiconductor photo element to be used with the semiconductor photo element to be used according to the invention The radiation to be registered is what is necessary for such cooling their quality as information carriers usually walled.

modulated up to relatively high frequencies. Claim:

For the suitability of the semiconductor photo element as 55

Radiation detector it is therefore important that using a semiconductor photo element with

its sensitivity up to a relatively high modula- photoelectromagnetic effect according to the patent

tion frequencies does not decrease significantly. In Fig. 3 1 214 807 as a receiver for radiation with waves the so-called frequency response of the semiconductor photo length from the beyond the absorption edge of the

element with an indium antimonide semiconductor 60 semiconductor material of the semiconductor photo element body with nickel antimonide inclusions that cover the long-wave range.

For this purpose I sheet drawings