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Phototransistor mit vollständig eingebetteter Basis Die Erfindung
bezieht sich auf Halbleiterbauelemente und insbesondere auf photoelektronische Halbleiterbauelemente.
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. Halbleiter-Photodioden wurden bisher hergestellt, um einen Strom
zu erzeugen, der im wesentlichen proportional zu der Lichtmenge ist, die auf die
lichtempfinalichz Zone des Diodenuberganges fällt. Obwohl derartige Photodioden
mit Erfolg auf Anwendungsgebieten verwendet wurden, wie beispielsweise bei der Erfassung
von Infrarotstrahlen, ist es erforderlich, daß der Strom, der durch derartige Bauelemente
erzeugt wirds im allgemeinen ganz erheblich verstärkt wird0 Bei einem Versuoh,'die
Notwendigkeit der Verwendung einer gesonderten VerstärkerstuSe auszuschalten wurden
Phototransistoren entwickelt, die verhältnismäßig hohe Strompegel für den Einfall
von Photonen mit vorgegebenen Energieniveau erzeugen. Bei einem derartigen Phototransistoz
wird ein pn-Ubergang verwendet, der zwischen einer pleitenden diffundierten Zone
und einem n-leitenden Substrat angeordnet ist und zweiter übergang, der zwischen
einer
Metallkontaktfolie und der p-leitenden Zone angeordnet ist.
Derartige bisher enbickelte Phototrarsiatoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß
sie wegen der an der Oberfläche frei liegenden p-ieitenden Zone verhältnism&ßig
große Oberflächenkriechströme entwickeln0 Außerdem haben zahlreiche bisher entwickelte
Phototransistoren keinen ausreichend hohen Stromverstärkung" faktor hFE bei niedrigen
StrompegelnO Gemäß der Erfindung wird ein photoelektronisches Bauelement mit einer
vollständig eingebetteten p-leitenden Zone hergestellt, mit des ganz erheblich der
Kriechstrom herabgesetzt wird und dem ein verhältnisiuäßig großer Stromverstärkungsfaktor
hE bei einem geringen Betriebsstrompegel erzeugt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein photoelektronisches Bauelement
einen Halbleiterkörper auf, der eine diskrete Zone aus entgegengesetzt leitenden
Halb;-leitermaterial aufweist, die unterhalb der Oberfläche dieses Hanb-ieiterkörpers
ausgebildet ist Ein elektrischer Kontakt ist auf der Oberfläche des Ealb-leiterkörpers
angeordnet.
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Gemäß einem spezielleren Aspekt der Erfindung weist ein photoelektronisches
Halbleiterbauelement ein Substrat aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps
auf, Eine diskrete Zone aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps
ist in das Substrat eingebettet und elektrischer Kontakt ist mit dem Substrat in
der Nahe des Mittelabschnittes dieser Zone verbunden.
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Bei einer bevorzugten usfükirungsform der Erfindung besteht das Substrat
n-leitendem Halbleitermaterial und die diskrete Zone besteht aus p-leitenden Halbleitermaterial
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines
photoelektronischen
Malbleiterbauelemente die Ausbildung einer diskreten
Zone aus einem Halbleiterinaterial eines ersten Beitungstypes in einem Kerner aus
einem Halbleitermaterial aus einem zweiten Leitungstypes. Eine Schicht aus einem
Halbleitermaterial des zweiten Beitungstypes wird über der diskreten Zone ausgebildet0
Ein leitender Kontakt wird dann über der Schicht aus dem Halbleitermaterial des
zweiten teitungstypes in der Nähe des Mittelabschnittes der diskreten Zone angebracht,
Die Erfindung betrifft somit ein photoelektronisches Halbleiterbauelement, welches
ein Substrat aus einem n-leitendem Halbleitermaterial aufweist, wobei eine Zone
p-leitendem Halbleitermaterials in einem vorbestimmten Abstand unterhalb der Oberfläche
des Substrats eingebettet ist. Ein elektrischer Kontakt ist mit dem Substrat in
der ähe des Mittelabschnittes der Zone aus pleitendem Halbleitermaterial verbundene
Der Mittelabschnitt-des p-leitendem Materials weist Phototransistorbetriebscharakteristiken
auf, während der np-Übergang, der zwischen den n-leitenden und den p-leitenden Halbleitermaterialien
vorgesehen ist, die Betriebscharakteristiken einer Photodiode aufweist, Die Erfindung
soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung
erläutert werden.
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Es zeigen: Fig, 1 eine Ansicht einer Anfangsherstellungsstufe des
Bauelementes gemäß einer Ausfahrungsform der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht der
Endherstellungsstufe des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes, Fig. 3 bis 5 Darstellungen
von Herstellungsstufen bei der Herstellung des Bauelementes gemäß einer zweiten
AusfUhrungsform der Erfindung,
Figo 6 eine Ansicht der Herstellungsendstufe
des in den Figo 3 bis 5 dargestellten Bauelementes, Fig. 7 eine schematische Ansicht
des erfindungsgemäßen photoelektronischen Bauelementes, Fig, 8 ein schematisches
Schaltbild des in Fig. 7 dargestellten Bauelementes, Figo 9 eine graphische Darstellung,
die den Spannungsgradienten zeigt, der innerhalb des in Fig. 7 dargestellten Bauelementes
während des Betriebes auftritt, Fig. 10a bis 10c Darstellungen von Ersatzschaltbilern,
die zur Erläuterung des Frequenzganges des in Fig. 7 dargestellten Bauelementes
verwendet werden, Fig. 11 eine graphische Darstellung, die den Frequenzgang des
erfindungsgemäßen Bauelementes veranschaulicht und Fig, 12 ein Schaltbild, welches
die Verwendung des e rfindungs gemäßen Bauelemente s in einer Schaltung zeigt0 Die
Pig, 1 und 2 zeigen verschiedene Stufen bei der Herstellung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelementes0 Es sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein photoelektronisches
Bauelement wird in der Weise hergestellt, daß mit einem n-leitenden Substrat 10
begonnen wird, welches aus Silicium, Germanium, Indiumarsenide (IrLAs) oder dergleichen
bestehen kanne Andere n-leitende Halbleiterverbindungen der Gruppen III bis V des
periodischen Systems können ebenfalls verwendet werden. Eine n+-leitende Halbleiterschicht
12 kann an der Unterseite des Substrats 10 ausgebildet werden, obwohl diese Schicht
12 für zahlreiche Anwendungszwecke nicht erforderlich ist0 Eine Diffusionsmaske
14, die
ein fenster 16 aufweist, wird über der oberen Oberfläche
des Substrates 10 ausgebildet, wobei zur IIerstellung dieser Maske die üblichen
Arbeitsweisen verwendet werden0 Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die
Maske 14 aus einer Siliciumdioxydschicht, die mittels eines Ublichen Verfahrens
abgeschieden wird Das Siliciumdioxyd wird dann mit einem Photolack beschichtet und
ein Fenster, dessen Abmessungen üblicherweise im Bereich einiger hunderstel bis
zehntel Millimeter liegen, wird 'in dem Photolack ausgebildet. Das Fenster 16 wird
dann aus der Siliciumdioxydschicht heraus geätzt, wobei eine übliche Ätzlösung verwendet
wird, wie beispielsweise Fluorwasserstoffsäure oder dergleichen.
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Ein peleitender Störstoff wird dann durch das Fenster 16 in das Substrat
10 eindiffundiert, um eine diskrete pleitende Zone 18 auszubilden, Der p-leitende
Störstoff kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, wie beispielsweise
Kadmium, Zink oder Magnesium Die Diffusion wird gemäß den üblichen Arbeitsweisen
ausgeführt, wie beispielsweise unter Verwendung eines üblichen Zweizonen-Diffusionsofens.
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Es sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Siliciumdioxydmaske
14 wird wieder mit einem Photolack bedeckt ein undwgrn ßeres Fenster 20 wird in
diesem Photolack entwickelt Das Fenster 20 wird dann aus dem Siliciumdioxyd durch
eine Ätzlösung ausgeätzt. Das Ausätzen des größeren Fensters 20 ermöglicht eine
zweite Diffusion mit einem n-leitendem Störstoff,um eine Schicht 22 aus n-leitendem
Material über der p-leitenden Zone 18 auszubilden. Das n-leitende Dotiermaterial,
welches verwendet wird, um die Schicht 22 zu bilden, kann irgendein geeigneter n-leitender
Störstoff sein, der mit dem Substrat 10 vereinbar ist, wie beispielsweise Phosphor
für Silicium oder Arsen oder Antimon für ein Germaniumsubstrat. Normalerweise liegen
die Tiefen der diffundierten
Zone 18 und 22 im Bereich von einigen
Mikron0 Eine Oxydschicht 24 wird dann mittels üblichen Arbeitsweisen über der Maske
14 und der diffundierten Schicht 22 ausgebildet, Ein Fenster 26 wird in der Schicht
24 dadurch ausgebildet, daß diese mit einem Photolack beschichtet wird, der entwickelt
und geätzt wird. Die Oxydschicht 24 wird dann mit einer dünnen Metallfolie unter
Verwendung üblicher Arbeitsweisen beschichtet, beispielsweise mittels einer Vakuumabscheidung.
Die Metallfolie wird dann gemäß einer Vorlage bearbeitet, um einen Metallkontakt
28 auszubilden. Der Metallkontakt 28 kann aus Aluminium oder irgendeinem anderen
geeigneten Metall bestehen, welches sich nicht mit dem Halbleitermaterial legiert
oder welches nicht in dieses Halbleitermaterial eindiffundiert. Der Kontakt 28 hat
üblicherweise eine dicke von mehreren tausend Angström-Einheiten.
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Die Isolationsschichten 14 und 24 sind für Licht durchlässig und der
Metalakontakt 28 ist ebenfalls in einem weiten Ausmaß für Licht durchlässig0 Die
auf das in Fig. 2 dargestellte Bauelement auftreffende Lichtenergie wird dann in
den diffundierten Zonen 18 und 22 absorbiert und erzeugt Überschußträger. Aus einer
Betrachtung der Fig. 2 ergibt sich, daß durch die Erfindung ein Ehototransistor
geschaffen wird, der eine gewisse Ähnlichkeit mit bisher bekannten Vorrichtungen
hat, mit der Ausnahme, daß eine dünne Schicht aus n-leitenden Material 22 zwischen
der p-leitenden Zone 18 und dem Metallkontakt 28 angeordnet ist0 Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfilldung ist der Metallkontakt 2C in der Nähe des Mittel abschnittes
der eiteYluen Zone 18 angeordnet0 Wie noch im einzelnen beschrieben werden soll,
wird die nleitende Schicht mit einer ausgewählten Dicke ausgebildet-und mittels
einer ausgewählten StUrstoffkonzentration hergestellt, um einem vorbestimmten Flächenwiderstand
des Bauelementes . erzeugen.
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Die Fig. 3 bis 6 zeigen eine Folge von Verfahrenestufen
bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes nach einem anderen Verfahren,
Es sei auf Fig. 3 Bezug genommene Die Herstellung des Bauelementes beginnt mit einem
Körper 30 aus einem n-leitenden Material, wobei eine Schicht 32 aus einem n+-leitenden
Material vorgesehen ist, falls dieses gewünscht ist. Anstelle der vorher beschriebenen
Diffusionsstufe wird eine p-leitende Schicht 34 mittels eines Aufwachsverfahrens
auf der oberen Oberfläche des Körpers 30 unter Verwendung übllcher Arbeitsweisen
ausgebildet0 Eine Schicht eines Isolationsmaterials, wie beispielsweise aus Siliciumdioxyd
wird über der gesamten Oberfläche der epitaxialen Schicht 34 ausgebildet. Diese
Schicht wird dann mit einem Ehotolack bedeckt und mittels einer vorbestimmten Maske
entwickelt0 Das Siliciumdioxyd wird dann mittels einer Ätzlösung geätzt, so-daß
die Dioxydschicht 36 verbleibt.
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n+-leitender Störstoff wird dann in die epitaxiale Schicht 34 unter
Verwendung üblicher Diffusionsarbeitspreisen eindiffundiert, um n+-leitende Diffusionszonen
37 die und 38 auszubilden, die vollständig / p-leitende Schicht 34 isolieren, wie
es in Fig. 4 gezeigt ist. Das n-leitende Dotiermaterial, das verwendet wird, kann
irgendein übliches Material sein, wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon.
Nach der Durchführung der Diffusionestufe wird die Dioxydschicht 36 fortgeätzt und
wie Fig. 5 zeigt, wird eine dünne Schicht 40 aus n+-leitendem Material in dem Körper
eindiffundiert. Die Dioke und die Dotierungskonzentration der Schicht 40 sind proportional
zum gewünschten Flächenwiderstand des BauelemXentes.
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Wie Fig. 6 zeigt, wird eine obere Oxydschicht 42 dann über der diffundierten
Schicht 40 abgeschieden und ein Fenster wird durch die Schicht 42 hindurch geätzt
und zwar ter Verwendung eines Photolackes und der üblichen Ätztecrier. Eine Zone
44 aus n-leitendem Material
wird dann in die Schicht 40 und auch
in die p-).eitende Zone 34 eindiffundiert. Eins Metallfolie wird dann über der Oxydschicht
42 abgeschieden, beispielsweise mittels einer Verdampfungstechnik und der Metallkontakt
46 wird hergestellte Der Metallkontakt 46 kann aus irgendeinem geeigneten Kontaktmetall
bestehen, wie beispielsweise Aluininlum, Titan-Gold, Molyrbdan-Gold oder dergleichen.
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Das fertige Bauelement nach Fig 6 weist eine eingebettete p-Ieitende
Zone 34 zusammen mit einem n-leitenden Bereich 44 auf. Der n-leitende Bereich ist
gemäß dem Grundaspekt der Erfindung nicht erforderlich, jedoch wird angenommen,
daß dieser Bereich für das Bauelement bessere Bandbreitencharakteristiken und eine
verbesserte Vers tärkungskurve ergibt, Es sei bemerkt, daß anstatt dieepitaxiale
Schicht 34 zu verwenden, die in Fig. 3 dargestellt ist, eine Schicht aus einem -
. p-leitenden Material in das Substrat 30 einduffundiert werden kann. In einigen
Fällen kann eine derartige Diffusion einer p-leitenden Schicht einen Feldgradienten
in der Basis des Transistors während des Betriebes erzeugen, mit dem der Frequenzgang
des Bauelementes verbessert wird0 Fig. 7 zeigt schematisch das erfindungsgemäße
photoelektronische' Bauelement 50. Das photoelektronische Bauelement 50 kann nach
einem der vorbeschriebenen Verfahren hergestellt sein und weist ein n-leitendes
Substrat 52 auf und eine diskrete Zone aus p-leitendem Material 54 die in den Substrat
eingebettet ist.
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Eine dünne Schicht 56 aus n-leitendem Material ist zwischen der eingebetteten
p-leitenden Zone 54 und einem Metallkontakt 58 angeordnet. Eine Vorspannung wird
an das Bauelement über die Anschlüsse 60 und 61 angelegt. Wenn das Bauelement 50
in richtiger Weise vorgespannt ist, bildet sich eine Sperrschicht aus,
die
durch die gestrichelten Linien 62 und 63 gekennzeichnet ist0 Fig. 8 ist eine schematische
Darstellung deines Ersatzschaltbildes des Bauelementes 50 während des Betriebes0
Der kleine Mittelbereich der p-leitenden Zone 54 unterhalb des Kontaktes 58 ergibt
eine Transistorwirkung, ist die durch den Transistor 64 dargestelltf Der restliche
Teil des in Sperrichtung vorgespannten pn-Uberganges des Bauelementes 50 bildet
einen Kollektor-Basieübergang, der nach Art einer Diode arbeitet, und dies wird
durch die Diode 66 dargestellt0 Die dünne Schicht 56 aus nleitendem Material, die
zwischen der p-leitenden Zone 54 und dem Kontakt 58 angeordnet ist, erzeugt für
das Bauelement den Plächenwiderstana 68e Die Größe dieses Widerstandes hängt von
der Dicke und der Dotierungskonzentration dieser Schicht ab.
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Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, in der der Spannungsgradient
gezeigt ist, der in dem Bauelement 50 zu jeder Seite der Mitte der p-leitenden Zone
54 auftritt. Der Spannungsabfall in der n-leitenden Schicht ist in unmittelbarem
Bereich aes Metallkontaktes 58 am größten. Dies ist hauptsächlich wegen des radialen
Stromflusses in der n-leitenden Schicht 56 der Fall.
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Durch diesen Spannungsabfall ist die aktive Emitterelektrode, welche
die Erensistorwirkung des Bauelementes erzeugt, auf den Bereich begrenzt, der direkt
dem Metallkontakt 58 benachbart ist, wobei der restliche Teil des pn-Ubergang in
unterschiedlichen Maß in Sperrichtung vorgespannt ist und ; ; einen Teil des Kollektor-Basiaüberganges
bildet.
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Im Betrieb wird das Bauelement 50 über die Anschlüsse 60 und 61 mit
einer geeigneten Spannung im allgemeinen in der Größenordnung von 1 Volt oder weniger
derart vorgespannt, daß der Kollektor meDr positiv als der Emitter ist. An der eingebetteten
p-leitenden Basis zone 54
wird ein Vorspannungspegel ausgebildet,
der gegenüber dem Emltterkontakt 58 leicht positiv ist, so daß die kleine, aktive
Emitterfläche unterhalb des Kontaktes 58 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist0 Der
restliche Teil des pil-Übergangs, der zwischen der p-leitenden Zone 54 und dem n-leitenden
Substrat 52 ausgebildet ist, ist relativ in Sperrichtung vorgespannt und bildet
den Kollektor-Basis-~ abschnitt des Bauelementes0 Wenn das Bauelement 50 eineniLichteinfall
ausgesetzt L9ts so werden die Photonenin der n-leitenden Schicht 56, in der eingebetteten,
p-leitenden Basiszone 54 und im n-leitenden Substrat 52 absorbiert0 Minoritätsträger
werden durch diese Photonenabsorbsion erzeugt0 Diese Träger bewegen sich zu der
Sperrschicht zwischen den gestrichelten Linien 52 und 63 und dies führt zu einem
Kollektor-Basis-Photostrom; Verschiedene Teile dieses Phototromes werden längs des
Widerstandes verteilt, der durch die n-leitende Schicht 56 erzeugt wird. In allen
Fällen Jedoch strömt der Photostrom zur Basis zone und dies führt zur Ausbildung
einer Durchlaßvorspannung am Emitter-Baisübergang des Bauelementes.
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Da die aktive Emitterelektrodenfläche des Bauelementes unzaittelbar
neben dem Emitterkontakt 58 liegt, wird kein wesei tlicher Emitter-Basis-Photostrom
erzeugt. Die Wirkungsweise des Bauelementes kann deshalb in zwei verschiedene Wirkungen
zerlegt werden und zwar in eine Photodiodenwirkung des in Sperrichtung vorgespannten
Kollektor-Basisüberganges und eine Transistorwirkung der kleinen mittleren Fläohe
unterhalb des Emitterkontaktes 58.
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Ein außerordentlich wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
ist darin zu sehen, daß die Basisschicht des Phototransistors vollständig eingebettet
ist und deshalb keine äußere Oberfläche aufweist. Dadurch wc^e3Zi gani wesentlich
die Oberflächenkriechströme oder die Raumladungaverluste des Bauelementes herabgesstzt
und
der in qperrichtung vorgespannte Kollektor-Basisübergang wird
durch einen großen Leckwiderstand beherrscht. Der gesamte Kollektor-Basisleckleitwert
ist deshalb wesentlich niedriger als derjenige, der in üblichen Shototransietorbauelementen
erzielt werden kann, die einen frei liegenden pn-Ubergang haben. Zusätzlich weist
der in Durchlaßrichtung vorgespannte Emitterbasis übergang einen minimalen 11nkT11-Strom
auf. Daraus ergibt sich, daß der Stromverstärkungs faktor h21(hE»es Bauelements
sich im allgemeinen sbhr wenig mit dem Strompegel ändet und dadurch wird ein hoher
Wert des Stromverstärkungsfaktors h21 bei einem Betrieb mit geringen Strompegeln
sicher gestellt. Diese Kombination eines hohen Stromverst#ärkungsfaktors h21 bei
niedrigem Strom mit einem geringen Beckleitwert ergibt ein Bauelement 50 mit optimalen
Charakterstiken, die erforderlich sind, um in vielen Anwendungsfällen kleine Photoströme
zu verstärken.
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Berechnungen, die bezüglich des erfindungsgemäßen Bauelementes durc1geführt
wurden, zeigen, daß diese im Betrieb ein geringes Rauschen aufweisen. Diese Berechnungen
zeigen, daß die Fläche des Kontaktes 58 so klein als möglich hergestellt werden
soll.und daß diese Flächen dicht bei der Mitte der p-leitenden Basis zone 54 angeordnet
werden sollte, damit der größtmögliche Widerstandswert in der n-leitenden Schicht
56 erzielt werden kann.
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Fig. 10a zeigt ein Ersatzschaltbild, welches erhalten wird, wenn das
erfindungsgemäße Bauelement unter der Einwirkung-eines Kurzs chlußgleichstromes
arbeitet. Ein Teil der Kollektor-Basiskapazität ist über die Läge des Widerstandes
68 hinweg verteilt, wie es durch die parallel geschalteten Kondensatoren 70 dargestellt
ist, die zwischen den Widerstand 68 und der Basis des Transistors 64 geschaltet
sind. Anfängliche Berechnungen zeigen, daß diese verteilte Kapazität in praktischen
Anwendungsfällen vernachlässigbar ist, so daß die Allgemeinheit der Betrachtungsweise
nicht verloren geht, wenn die Kollektor-Basiskapazität COB, punktförmig zwischen
dem Kollektor und die Basis des Transistors 64 geschaltet wird, wie es in Fig. 10b
gezeigt
wird0 Da der Flächenwiderstand 68 parallel zur Spannungsquelle
geringer Impedanz der Schaltung geschaltet ist, träge dieser Widerstand 68 nicht
zum Frequenzgang des Bauelementes bei und dieser Widerstand wird demzufolge in den
Berechnungen weggelassen. Die Emitter-Transistor kapazität 0TE ist in Fig. 10b mit
gestriche'vten Linien zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 64 dargestellt.
Wenn Jedoch die Kollektor-:Basiskapazität 003 als die Gesamtkapazität zwischen der
Basis und dem diese umgebenden n-leitenden Material des Bauelements angenommen wird,
so kann die Emitter-Transistorkapazität CTE als impedanz bei der Berechnung des
Frequenzganges vernachlässigt werden.
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Ohne Berücksichtigung der Kapazität 0TE weist der Transistorabschnitt
der in Fig. lOb gezeigten Schaltung einen Frequenzgang auf, der lediglich durch
die Basisdurchgangszeit des Bauelementes begrenzt wird. Es kann gezeigt werden,
daß die Grenzfrequenz f0 des Bauelementes durch die folgende Gleichung wiedergegeben
wird: zwar p (1) in der D- Diffusionskonstante und W = die Basisbreite in cm Ist.
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Typische Parameter für das Bauelement sind D = 800 om2/sec und W =
4 µm, dadurch wird eine Grenzfrequenz So von etwa 1,6 x 10#Hz erzeugt.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu erkennen, daß die Arbeitsgeschwindigkeit
des Transistors des Bauelementes kein wesentlicher Faktor der Begrenzung der Leistung
des Bauelementes ist. Beispielsweise für einen Wert von ß = 1600 ist der Transistorgang
im Bereich von einem MEz flach. Da Minoritätsträger durch auf das Bauelement auftreffende
Photonen erzeugt werden, die über eine Strecke von etwa W/2 diffundieren müssen,
liegt der Frequenzgang
der Photodiode des Bauelementes etwa in
der Größenordnung von f00 Der Gang der Photodiode ist also auch kein Begrenzungsfaktor
des Frequenzganges des Detektors.
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Die Hauptbegrenzung des Frequenzganges des Bauelementes ergibt sich
aus der kleinen Signalzeitkontante und zwar durch die Wechselwirkung der Kapazität
COB mit den Eingangswiderstand des PhototransistorsO Der Eingangswiderstand ri wird
durch die folgende Gleichung gegeben: r + (l + ß)re (2) in der re = kT/qIe , k =
Boltzman's Konstante, T - absolute Temperatur, q - Elektronenladung und Ie= Emitterstrom
ist.
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Substituiert man, so erhält man: ri = kT ( l +ß ). (3) q Ie Es kann
gezeigt werden, daß die folgende Gleichung gilt 1e = 1b (4) und daraus ergibt sioh,
daß ri = kT . (5) qIb Es ist festzustellen, daß der Eingangswiderstand ri unabhängig
von ist. Die Grenzfrequenz für ein kleines Signal wird durch die folgende Gleiohung
gegeben: f = 1 9Ib (6) 2 # riCOB 2# kTCOB
Aus Fig. 10b ist zu erkennen,
daß die folgende Beziehung gilt: Ib = I1 + I0 (7) in der I1 = Kollektor-Basisphotoatrom
und I0 = Dunkelleckstrom ist0 Deshalb gilt: q(I1 + I0) (8) fc = 2#kTCOB Aus der
Gleichung in (8) ist zu erkennen, daß die Grenzfrequenz zwar von ß unabhängig, Jedoch
von I1 abhängig it. Große Lichtstärken in der Umgebung führen deshalb zu einem schnelleren
Ansprechen des Bauelementes.
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Zusätzlich sollte die Dotierungskonzentration im Kollektor und in
der Basis des Bauelementes so niedrig als möglich sein, um den Wert der Kapazität
a03 auf ein Minimum herabzusetzens Für typische Werte bei einer Temperatur von 200°E
für kT = 16mV und für spezielle Werte von COB=40x10-12fd und I1+I0 = 27x10-9A ergibt
sich eine Grenzfrequenz für das Bauelement von etwa 7kHz Es sei nunmehr auf Fig.
10c Bezug genommen, in der ein außerordentlich vereinfaähtes Ersatzschaltbild des
erfindungsgemäßen Bauelementes dargestellt ist. Es kann gezeigt werden, daßssich
hierfür die folgende übertragungsfunktion ergibt:
Unter Verwendung dieser Übertragungsfunktion ergibt sich der in
Fig, 11 dargestellte Frequenzgang. Eine Grenzfrequenz von 7kHz ergibt eine Ansprechzeit
s von etwa 2,4x105 sec0 Dle 10-9070 Anstiegzeit beträgt deshalb 53 Mikro@ekunden.
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Diese Anstiegzeit kann noch weiter vermindert werden, und zwar dadurch,
daß schwach dotierte Halbieltermaterialien zur Herstellung des Bauelementes verwendet
werden0 In einigen Anwendungsfällen des Bauelementes kann es wünschenswert sein,
eine zusätzliche oder künstliche Beleuchtung durchzuführen, um den Wert von.Ii groß
genug zu erhalten, damit eine entsprechend hohe Ansprechgescfrindigkeit erzielt
werden kann.
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Das Bauelement kann insbesondere zur Herstellung von Schaltungsanordnungen
verwendet werden und kann auch in Schaltungsanordnungen verwendet werden0 Fig. 12
zeigt eine derartige Schaltungsanordnung von photoelektronischen Bauelementen, die
schematIsch als Bauelemente 80a bis 80n dargestellt sind Diese Bauelemente sind
auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet und zwar mit Hilfe irgendeines der Verfahren,
welches in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ist.
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Die Kollektoren eines jeden der Bauelemente 80a bis 80n sind gemeinsam
mit den Schaltungsmassenanschluß verbunden.
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Die einzelnen Emitterkontakte, welche aus den Metallkontakten bestehen,
die in der Mitte neben der eingebetteten, p-leitenden Basis zone angeordnet sind,
dienen als einzelne Ausgangsanschlüsse für jedes Bauelemente Zur Verwendung ale
npn-Bauelementsmüssen die Emitter der Bauelemente 80a f 80n gegenüber dem gemeinsamen
Kollektoranschluß negativ vorgespannt sein.
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Stromverstärker sind für Jeden Kanal vorgesehen, um die Bedingungen
für einelKurzXchlußbetrieb an den Ausgängen der Bauelemente zu erfüllen. Die Emitter
eines Jeden der Bauelemente sind mit einem Eingang eines Stronverstärkers 82a bis
82 n verbunden. Variable Widerstände 84a bis 84n sind zwischen die Emitter der Bauelemente
und einer negativen Vorspannungsquelle angeordnete Die Widerstande 84a - 84 n können,
wenn erforderlich, eingestellt
werden, um Änderungen im Wert der
Plächenwiderstände eines jeden Bauelementes zu kompensieren9 Wi.derstände 86a bis
86n sind zwischen der negativen Spannungequelle und dem zweiten Eingang der Verstärker
82a bis 82n angeordnet. Widerstande 88a bis 88n sind zwischen dem zweiten Eingang
der Verstärker und dem Schaltungsmasseanschluß angeordnet, Die Größen der Widerstände
86a - 86n und 88a bis 88 n bestimmen die negative Vorspannung, die jedem photoelektronisohen
Bauelement 80a - n zugeführt wird.
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Falls gewünscht, können lediglich zwei feste Widerstände 86 und 88
hergestellt werden, und diese können für Jeden der Verstärker 82a - n gemeinsam
sein. Widerstände 90a bis 90n sind parallel zu den verschiedenen Verstärker 82a
bis 82n geschaltet und einstellbar, um Veränderungen der p-Werte zwischen den verschiedenen
Bauelementen zu kompensieren.
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Kopplungskondensatoren 92a bis 92n sind an Jedem der Veratärkerauegange
vorgesehen. Die Verstärker 82a bis b sind 6 Irgendwelche Verstärker aus einer Vielzahl
von integrierten linearen Verstärkers chaltungen mit Differenzeingangstufen und
einer plus/minus 1 Volt Gleichtaktunterdrückung.
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Die Widerstände 90a bis 90n liegen im allgemeinen in der Gr8ßenordnung
von 5Kilo/Ohm oder weniger. Falls gowünsoht, können die Kupplungskondensatoren und
die Widerstände, die in Fig. 12 gezeigt sind, außerhalb des integrierten Sohaltungaplättohene
angeordnet stin.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Auführungsbeispiele
beschrieben und es sei bemerkt, daß zahlreiche Abänderungen durchgeführt werden
können, die im Rahmen der Erfindung liegen.