DE2023261A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren eines Phänomens - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren eines Phänomens

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DE2023261A1 DE19702023261 DE2023261A DE2023261A1 DE 2023261 A1 DE2023261 A1 DE 2023261A1 DE 19702023261 DE19702023261 DE 19702023261 DE 2023261 A DE2023261 A DE 2023261A DE 2023261 A1 DE2023261 A1 DE 2023261A1
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Noel Francis Balwyn Victoria Teede (Australien)
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The Commonwealth of Australia, Melbourne (Australien)
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Description

"Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren eines Phänomens"
Die Erfindung^betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einea Phänomens, beispielsweise Licht oder magnetischer Fluß. Hierfür ist eine Halbleiteranordnung nach Art eines Peldeffekttransiutors desjenigen Typs vorgesehen» in dem ein S bromv/eg,ini folgenden "Ktuial" genannt ,durch einen Halbleiterkörper-verläuft, wobei die elektrische Ladungsträgerkonzentration und damit die Leitfähigkeit des KamiIj uittels eines quer zuxu Kanal gerichteten el ektrisch-n Feldes .teuerbar ist, In der Praxis wird das steuernde Feld normalοrweise mittels einer Gateelektrode angelegt.
Wenn im folgenden von einem Phänomen die Reis i'jt, so soll darunter nur oi η derartiges Phänomen verband en. werden» das die L-jLtfi;higkeit des Kanals in eine Halbleiteranordnung der besohriebenen Art beeinflussen kann.
Die Erfindung beaioht i'ioh innbononden: tut1 dan: Detektieren von
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elektromagnetischer Strahlung bei Infrarot- oder optischen Frequenzen und von magnetischem Fluß, sie ist jedoch nicht auf diese Phänomene beschränkt.
Das Verfahren nach der Erfindung zum Detektieren eines Phänomens ist dadurch gekennzeichnet, daß man quer zum Kanal einer Halbleiteranordnung» insbesondere eines Feldeffekttransistors,ein steuerndes elektrisches Feld zur Verringerung der Srägerkonzentration des Kanals auf eine vorbestimmte Höhe anlegt, daß man den Feldeffekttransistor so anordnet, daß er bei Vorhandensein des Phänomens von diesem beeinflußt wird, und daß man die durch da» Phänomen ausgelöste Änderung der Leitfähigkeit des Kanals detektiert.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte ist nicht kritisch; man kann den Feldeffekttransistor zuerst in geeigneter Weise anordnen und danach das steuernde Feld anlegen*
Sine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnetι daß ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist, an den ein elektrisches Feld quer zum Kanal durch den Transistor anlegbar ist, und daß Mittel zum Detektieren einer Änderung der Leitfähigkeit des Kanals vorgesehen sind·
Vorzugsweise spricht das steuernde Feld auf die durch das Phänomen ausgelöste Änderung der Leitfähigkeit an, so daß jede derartige Inderung durch eine resultierende Änderung des elektrischen Feldes verstärkt wird. j
Zweckmäßig wird die durch das Phänomen ausgelöste inderung der j Leitfähigkeit durch Anlegen eines elektrischen Signals an den j Kanal detektiejjvt, indem die Signaländerjung detektiert wird* Wenn das steuernde Feld auf die durch das Phänomen ausgelöste inderung anspricht, kann die Höhe des steuernden Feldes von der Signmlhöhe abhängig gemacht werden; wenn z.B. die HaIb-
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leiteranordnung eine Gateelektrode zvtm Anlegen dee steuernden Feldes aufvaisti kenn das Signal an den Kanal und die Gateelektrodt gelegt werden.
Ia folgenden wird die Erfindung an Hand ron Aueführungsbeißpielen und der Zeichnung näher erläutert.
Fig.1 ist eine perepektivieohe, echematisohe Ansicht einer
Feldfffekt-Halbleiteranordnung zur Darstellung des Arbeitoprinsipa der Erfindung in der Anwendung als-- Lichtdetektor;
Pig. 2 igt eine entsprechende Ar.oicht eines anderer. Ausführen ~sbeiepiels der Erfindung-« die das Arbeitsprinsip in der Anwendung als Detektor magnetischen Flusse β zeigt;
Fig.3 seigt in sehematischer Aneicht einen Schnitt durch eine Halbleiteranordnung aur Benutaung ale Lichtdetektor geaäO der Erfindung, wobei die Anordnung durch Dünnfilmtechnik hergestellt tat ι
Pif.4 zeijt ein Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung. Fig.1 ceirt ßcheaatisch eine Metail-Iaolator-Halbleiterar.ord-
nung mit einer dünnen Ket.'illorr.i-cht 1O1 einer Isoliereohicht f 11 und einer Schicht 12 aüa HalbleiteriEatcrial deo p^Typs.Eine
Drainalektrode 13 ißt ait einer lantenflache und eine Source-
eloktrode 14 mit der gegenüber liegenden Eantenflache der
Schicht 1£ Terbunden, un einen tanal iwiaohen dieοen lenten
£U echAffen.Bi* llektrode 13 iet alt der Metallschicht 10 •lektriech leitend Tcrbunden, wie in Fig*1 dureh die Leitung 15 ongede\itet 1st,
Im Betrieb i;:t die Anor!nung ar: eine iuelle konstanten Stro-έββ (nichi erzeigt) angeschlofoen, wobei die Eleirtroie 13 gegenüber der Elektrode 14 i-O: 1tiv i:-t, go :-\3 auch iie ladeelektrode "ι. roi'itiv vor ze spannt i.ii.. Id η τθί-itiTe Vcrsr'.::r;::^
009848/ Π:3Π
BAD ORiÖINAL
■ ■ 1 Λ-
an der Metallschicht 10 rerureacht einen Löchermangel in dem an die Isolierschicht 11 angrenzenden Bereich der Halbloiterechioht 12. Die Tiefe dieser Sperrschicht (depletion region) hängt τοπ dem an der Metallschicht 1ü anliegenden Potential ab und wächst τοη der Kante der Drainelektrode in Richtung auf die Kante der Soureeelektrode, Bei der Abschnürung ("pinch-off") er streckt sich die Sperrschicht über die volle Breite der Kante der Sourceelektrode und blockiert den Stromweg, ao daß zusätzlicher Stromfluß zwischen Drain und Sourceelektrode weitgehend verhindert wird. Unter anderen Bedingungen hängt die Leitfähigkeit des Kanals von der Tiefe der Sperrschicht der Schicht 12 ab,
Die Metallschicht 10 und die Isolierschicht 11 sind dünn genug, um lichtdurchlässig zu sein, so daß Licht in Richtung des Pfeilte 16 in M.g.1 auf die Sperrschicht auftreffen kann. Auf die Sperreohicht fallondes Licht läßt die Leitfähigkeit des Kanals durch die Schicht 12 anwaoheen, und «war duroh Erzeugung von Ilektronen-Löoherpaaren in der Sperrschicht. Dieser Anstieg der Leitfähigkeit verringert die Spannung zwischen der Drainelektro de 13 und der Sourceelektrode 14 und senkt dadurch die Vorspannung der öateelektrode 10. Die Abnahme der Vorspannung verringert die Tiefe der Sperrschicht der Halbleiterschicht 12, was einen weiteren Anstieg der Leitfähigkeit des Kanals zur Folge
^ hat.
Aus zwei Gründen ist der Detektor besonders empfindlich:
1. Die an die Sateelektrode angelegte Vorspannung kann die Lochträgerkonzentration im Kanal durch die Halbleiterechicht verringern. Dadurch wird die Anordnung gegenüber kleinen Anstiegen an Elektronen-/Löcherpaaren in der Sperrschicht besonders empfindlich, und damit besonders empfindlich gegenüber Licht, dr.s solche Paare erzeugt.
2. Die Rückkopplung der durch das auf die Halfcleiterschicht
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BAD
fallende lioht resultierenden Signalanderung ergibt eine sofortige Verstärkung der Signaländerung, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert wird.
■ Das in Pig·2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist zur Detektionmagnetischen Flusses vorgesehen,und es wird eine Halbleiteranordnung benutzt, die derjenigen nach Pig.1 entspricht; ent.spreohende Teile sind mit entsprechenden Bezugsziffern unter Yoranstellung der Ziffer 1 bezeichnet. In diesem Pail ist jedoch die Halbleiterschicht 112 aus η-Material, und die Elektrode 113 ist an die negative Seite der Quelle konstanten Stromes angeschlossen. Dadurch wird in der Halbleiterschicht 112 ein Mangelbereich an Elektronen erzeugt.
lotrecht zu den Hauptflächen der Anordnung und damit lotrecht zum Kanal zwisohen der Elektrode -1.1-3 und der Elektrode 114 ist ; ein Stab 117 aus ferromagnetisohem Material ausgerichtet. In· Betrieb konzentriert der Stab 117 den zu detektierenden magnetisohen Iluö, ao daß dieser quer durch den Kanal tritt. Die Anwesenheit des Magnetischen Peldea in dem Bereich, in welchem die Halbleiteranordnung sich befindet, läßt den Widerstand des Kanals duroh den bekannten Magnet-',/iderstands-Effekt steigen.
Jeder Widerstandsanstieg ergibt einen Anstieg der Spannung zwisohen den Elektroden 113 und 114- und folglich einen Anstieg an negativer Vorspannung an der Metallschicht 110. Ein Vorspannungsanstieg läßt die Tiefe der Sperrschicht der Halbleiterschicht. 112 ansteigen, woraus ein weiterer Widerstandsanstieg des Stromwegs und folglich eine Verstärkung der Wirkung des magnetischen Flusses im Stab 117 resultiert. Das Arbeitsprinzip, der Anordnung nach Pig.2 entspricht somit demjenigen nach Fig.1, und es ergeben sich die gleichen Vorteile. .
Pig.4 zeigt eine Schaltung mit einer Halbleiteranordnung, die ,nach dem^in Pig.1 beschriebenen Prinzip arbeitet. Die Schaltung ;-. enthält eine Quelle 20 konstanten Stromes, die an die Drainelektrode 13 und die Sourceelektrode 14 angeschlossen ist, während
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die Elektrode 13 mit der Elektrode 10 Verbunden ist. Die Quelle konstanten Stromes kann aus einer Batterie mit einem Widerstand in Reihe beetehen, der sehr groß im Vergleich zur Impedanz des Stromwegea durch die Halbleiteranordnung ist ..Änderungen in der Leitfähigkeit des Kanals erscheinen daher als Minderungen der Signalspannungshöhe über dem Kanal durch die Halbleiteranordnung· Derartige Inderungen in der Signalhöhe werden durch ein empfindliches Voltmeter 22 angezeigt, das zwischen die Gate el ek-» trode 10 und die Sourceelektrode 14 geschaltet ist. Das VoItmeter kann in Liohtquanteneinheiten geeicht werden. ;
?ig. 3 zeigt im Schnitt eine praktische Ausbildung einer in Pig.1 BChemati»ch gezeigten Halbleiteranordnung j in beiden Figuren werden die gleichen Bezugsziffern benutzt. Die Halbleiteranordnung naoh Pig·3 besteht aus einem Körper 12 aus Halbleitermaterial dea p-Typs, einer Drainelektrode 13, einer Souroeelektrod· Ht einer Oe/fceelektrode 10 und einer Isolierschicht 11. Die Anordnung wird zweckmäßig durch Dünnfilmtechnik hergestellt. Zum 'Beispiel kann die Schicht 12 au· p-Material zuerst niedergeβdhlan gen und rekrietallisiert werden« Die Elektroden 13 und 14 können dann ale 3 chi eh t deponiert werden», und der Spalt für die Isolier-1 eehicht 11 kann durch Photoätzung erseugt werden. Die Elektroden 13 und 14 können aber auch durch eine Maske deponiert werden« Vorzugsweise haben die Elektroden 13 und· 14 ohmsohen Kontakt mit der Schicht 12· Die Isolierschicht 13 kann im Vakuum vei*· dampft sein, und das Material der Gnteelektrode kann dann im Vakuum deponiert werden. ?alls erwünscht, können folgende Vielechichtdielektrika durch bekannte Verfahren hinzugefügt werden, um die Reflexion' des gewünschten Bandes von Wellenlängen minimal zu halten. Die dielektrischen Eigenschaften der Schichten können angepaßt sein, um die Transparenz der Schichten 1C, 11, 13 und 14 sowie den Aböorptionaquantenwirkungsgrad der Schicht 12 für das gewünsohte Band optimal zu gestalten. ;
Die Empfindlichkeit der Anordnung steigt mit abnehmender Schichtdicke, Enge des Spalts zwischen Souroe- und Drainelektrode, und : mit steigender Beweglichkeit der elektrischen Ladungsträger.
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Sie Wahl des Halbleitermaterials ist nicht auf die EIeaent-Halbleiter beschränkt und merkliche Iapedanzanpassungs- und Xapfindliohkeitsvorteile ergeben sich durch die Benutzung von Halbleiterverbindungen höherer Beweglichkeit, wie Indiumantimonid (in 3b) des p-Typs. Las Material kann eine Elektronenakzeptorenkonzontration der Größenordnung von 10 '/cnr hafeen, sowie eine Elektronenbeweglichkeit nach der Rekristallisation In dem Bereich von 5000 bis 10 000 om /v-seo. Der Isolator ist vorzugsweise ein Material hoher Dielektrizitätskonstante und niedrigen Verlustfaktors wie z.B. Aluminiumoxyd (llgüa) Oder Tantaloxyd (Ta^O,-), aber vakuumverdampftes SiIizlumoxyd (8iC) hat sich auch als befriedigend erwiesen. Zur Herstellung ohmscher Kontakte können die Source- und die Drainelektrode aus Indium bestehen; die Gateelektrode wird zweckmäßig aus Hickel hergestellt. Die Dicke der Schicht 12 kann in der Größenordnung von 1000 Ϊ liegen.Der Spalt zwischen Source- und Drainelektrode, der durch den Isolator 11 eingenommen wird, kann die Gröfienordnugf von 5 /um mit einer letlatordioke von 500 1 aufweisen, wobtS.die Sourtt- und Draineltk- ι troden «twae dünner sind« Die Gateelektrode kann dort» wo «ie über des Isolator liegt, etwa 200 % dick eein, '
Bei optimaler Auslegung der Halbleiteranordnung hängt die Empfindlichkeit von der Trägerkonzentration des Kanäle und der Betriebεtemperatur ab; bei niedrigeren Temperaturen kann eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden. Unter gewissen Bedingungen kann es erwünscht sein, die Anordnung auf eine Temperatur unterhalb der a-nosphörischen Temperatur su kühlen. Hierfür kanr die Halbleiteranordnung in Wärmeübergang zu einem Bad mit flüssigem Gas angeordnet eein. Pur die oben beschriebene Indium-Antimonid-Anordnung können Betriebstemperaturen von weniger als 100 K wünschenswert sein.
Es sei darauf hingewiesen, da.? die Bertinnung der tatsächlichen Träcerkoiiccrtration des Kanals ia Betrieb nicht notwendig ißt, de die inJrrun.? cer Iior.rer.trutior. vor. Interesse lot. Lei einer gegebenen Anorir.unf: h^n^t die jriCe der Änäerun_ en vcn ien äuüeren Betriehrbedin-juncen -A« Bei der oVen beschrieo°nen Sghi?ltuiig ^iixi die anfanjlichi: Tragerkcnzeritration des Kanals,
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d.h· vor luftreffen von Licht auf di« Sperrschicht, durch das ateuernde feld bestimmt, das wiederum von dem Strom abhängt, den die Quelle konstanten Stromes liefert· Der erwünschte Stromwert muß für 3ede InOrdnung und entsprechend der erforderlichen Empfindlichkeit individuell bestimmt werden. Für eine Anordnung mit den oben beschriebenen Abmessungen kann die Stromquelle derart bemessen sein, daß sie einen Strom von 0,2 mA liefert. Die Buheepannung zwischen Souroe- und Gateelektrode, d.h. vor Auftreffen von Licht auf die Anordming, wird dann etwa 100 mV betragen, woraus eine Ausgangeimpedanz von etwa 50υ (ihm resultiert. Im Betrieb wird der Strom natürlich konstant gehalten, aber die Ausgangsspannung wird eine Punktion des auf die Sperrschicht ftuftreffenden Lichtflusses sein.
Der Detektor für magnetischen Fluß kann entsprechend der Anordnung naoh Pig.3 ausgebildet sein, jedoch unter Benutzung von n-Typ Halbleitermaterial, das ebenfalls InSb sein kann* Die Anordnung wird vorzugsweise zwischen zwei Ferritkernen eingeschlossen, umd ein statischer Magnetfluß kann angelegt werden, um die An-Offinung auf einen Arbeitsbereich einzustellen, bei dem maximale Viderstandeempfindlichkeit auf änderungen des magnetischen Flueees gegeben ist. Dae Magnetmaterial soll nicht vorgesättigt werden. Bei einer Anordnung naoh Pig.3 und zwei Ferritkernen kann Sas magnetische Vorbelaetungsfeld größer als 4000 Grause sein. Die Anordnung nach Fig.4 kann leicht zur Benutzung als Detektor magnetischen Flusses angepaßt v/erden.
Di· Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt« Sie let insbesondere nicht auf die Ausbildung einer Hstall-Ieolator-Halbleiteranordnung beschränkt, da auch tint Sperraohiehtanordnung (junction) benutzt werden kann» Jedoch tat die Metall-Isolator-Anordnung empfindlicher. Für den Lichtdetektor kann natürlich η-Typ Halbleitermaterial statt p-fjp benutzt werden, in welchem Falle die (Jateelektrode negativ vorgespannt ist, woraus Elektronenmangel in der Halbleitersohicht resultiert. Das Betriebsprinzip ist das gleiche. Entsprechend kann der Detektor für magnetischen Fluß Ealbleiteraaterial des p-Typs und eine positive Gateelektrodenvorspannung aufweisen. Eic Vahl der empfindlichsten Ausbildung hängt von dem
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BewtgliohkeitsverhältniB von Elektronen zu Löohern dea gewählten Materials der Halbleitersohicht und der Betriebstemperatur ab. Die Erfindung 1st nicht auf die gezeigte Detektorschaltung beschränkt; andere Schaltungen können von Fachleuten Mcht konstruiert werden. .
Tat entan s prücne;
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Verfahren zum Detektieren eines Phänomens, beispielsweise Licht oder magnetischer Fluß, dadurch gekennzeichnet, daß man quer zum Stromweg (Kanal) einer Halbleiteranordnung, insbesondere eines Feldeffekttransistors,ein steuerndes elektrisches Feld zur Verringerung der Trägerkonzentration des Kanals auf eine vorbeotimmte Höhe anlegt, daß man den Feldeffekttransistor 30 anordnet, da3 er bei Vorhandensein des Phänomens von diesen beeinflußt Wj1Td, und daß man die duroh das Phänomen ausgelöst9 Änderung der leitfähigkeit des Kanals detektiert,
    2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das steuernde Feld auf die Änderung der leitfähigkeit anspreohen läßt derart, daß die Änderung durch die resultierende inderung des steuernden Feldes verstärkt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 'oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch das Phänomen ausgelöste Änderung der leitfähigkeit dadurch detektiert, daß man ein elektrisches Signal an den Kanal anlegt und eine Änderung des angelegten Signals detektiert.
    4· Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des steuernden Feldes von der Signalhöhe abhängt,
    5· Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransistor mit einer Gateelektrod· zum Anlegen dee steuernden Feldes vorgesehen ist, und daß das Signal an den Kanal und die Grateelektrode angelegt wj.rd>
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    6. Vorfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch dae Phänomen ausgelöste Änderung der Leitfähigkeit des Kenale gemessen wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor unter die Temperatur der
    Atmosphäre gekühlt wird.
    ü. Vorrichtung zur >jrct.führung des Verfahrens nach den
    vorhergehende.-. Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
    •in Feldeffekttransistor vorgesehen ist, an den ein
    el|ktri8chea Feld quer run Kanal durch den Transistor
    anlegbar ist, und daß Mittel (20,22) zum Detektieren
    einer Änderung der Leitfähigkeit des Kanals vorgesehen
    sind.
    9« Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor eine ßateelektrode (10, 110)
    aufweist, an die das 3teuernde Feld anlegbar ist,
    oder 9 .
    10, Vorrichtung nach Anspruch B^ dadurch gekennzeichnet, daß
    die Gatcelektrode (10,"11O) auf die durch das Phänomen
    ausgelöste JLnderun** der Leitfähigkeit anspricht, wodurch jede derartige Änderung duroh die resultierende Änderung des steuernden Feldes verstärkt wird,
    11, Vorrichtung nach Anspruch 8 bis U, dadurch ^eI: ο ::n zeichnet, da3 die Mittel zum Detektieren einer AV1 erun=; der
    Leitfähigkeit dec Kanals vje einer Quelle (20) konstanten Stromes und einem Spanr.un^SBesaer (22) bestehen.
    12, Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel.-zur Kühlung des Feldeffekttransistors auf eine Temperatur ur.t·: :h"ill: .l:r,:enirer. de j Atr.c-r häre
    hen cinä.
    009846/*: 30
    BAD ORIGINAL
    Leerseite
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EP0000318A1 (de) * 1977-07-01 1979-01-10 International Business Machines Corporation Halbleiterdetektor für ein magnetisches oder elektrisches Feld

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