DE2119945A1 - Fotoelektrische Halbleitereinrichtung - Google Patents

Fotoelektrische Halbleitereinrichtung

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DE2119945A1
DE2119945A1 DE19712119945 DE2119945A DE2119945A1 DE 2119945 A1 DE2119945 A1 DE 2119945A1 DE 19712119945 DE19712119945 DE 19712119945 DE 2119945 A DE2119945 A DE 2119945A DE 2119945 A1 DE2119945 A1 DE 2119945A1
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measured
diffusion areas
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semiconductor
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Myrsyl W.; Stelzer Ernest L.; Minnetonka Minn. Scott (V.StA.). HOIj 31-50
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Original Assignee
Honeywell Inc
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Description

"Fotoelektrische Halbleitereinrichtung"
Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Halbleitereinrichtung mit einer Spitzenempfindlichkeit für mehrere Wellenlängen einer auf die Einrichtung fallenden zu messenden
Strahlung.
Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise zur Temperaturmessung eines Gegenstandes Verwendung finden. Die Temperatur eines Gegenstandes läßt sich durch einen Wärmestrahlungsmesser feststellen, der die Intensität der von dem Gegenstand ausgestrahlten Wärmestrahlung mißt. Wenn derartige Strahlungsmesser nur eine Wellenlänge der Strahlung messen, ist es notwendig, sowohl das Emissionsvermögen der Strahlungsquelle als auch die Übertragungseigenschaft des Raumes zwischen der Strahlungsquelle und dem Meßgerät zu kennen. Wer-
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den aber von dem Strahlungsmesser zwei verschiedene Weilenlängen derselben Strahlungsquelle gemessen und das Intensitätsverhältnis der beiden Wellenlängen festgestellt, so kann die Temperaturmessung unabhängig von dem Emissionsvermögen der Strahlungsquelle und der Übertragungseigenschaft des übertragenden Raumes gemessen werden. Ein derartiger zwei Farben messender Wäremstrahlungsmesser wurde 1921 von H.V/. Russell und anderen in "Temperature, It's Measurement and Control in Science and Industry", Seite 1159 angegeben. In einem mit zwei Farben messenden Wärmestrahlungsmesser ist ^ es wünschenswert, die einzelnen Strahlungsdetektoren möglichst nahe nebeneinander anzuordnen, da auf diese Weise ein einziges Strahlungsbündel zur Messung verwendet werden kann, wodurch Strahlungsunterschiede der von den beiden Detektoren empfangenen Strahlung und zusätzliche optische Einrichtungen vermieden werden können, die zwei identische Strahlenbündel auf die Detektoren leiten.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist der Konzentration der vorhandenen Ladungsträger proportional. Fällt nun Strahlung auf einen Halbleiter, deren Photonen einen über der dem Bandabstand entsprechenden Energielücke des Halbleiters ^ liegenden Energiebetrag aufweisen, so werden die konvalenten Bindungen aufgerissen und zusätzlich zu den thermisch erzeugten Defektelektronenpaaren noch zusätzliche Defektelektronenpaare erzeugt, die zu einer Vergrößerung der Leitfähigkeit in dem Halbleitermaterial führen. Die Erzeugung von Defektelektronen wird Intrinsic-Aktivierung genannt, während die Anhebung eines Donatorelektrons in das Leitungsband oder die Verschiebung eines Valenzelektrons in den Akzeptorzustand als Extrinsic- oder Störstellenaktivierung bezeichnet wird. Bei einem schwach dotierten Halbleiter überschreitet die Zustandsdichte im Leitungs- und Valenzband bei weitem die Störstellendichte und die Fotoleitfähigkeit beruht im wesentlichen auf der Intrisicaktivierung.
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Ein derartiger Halbleiter wird als Intrinsicfotoleiter bezeichnet. Da die minimale zur Intrinsicaktivierung notwenige Energie eines Photons gleich der Energielücke E des Intrinsicfotoleiters ist, läßt sich hieraus entnehmen, daß die Wellenlänge,bei der eine Spitzenempfindlichkeit erreicht wird, von der Energielücke E abhängt.
Die bekannten mit zwei Farben messenden fotoelektrischen Halbleitereinrichtungen der eingangs geschilderten Art bestehen aus zwei Scheiben unterschiedlichen Halbleitermaterials. Jede der beiden Scheiben hat eine andere Energielücke j woraus Spitzenempfindlichkeiten für zwei verschiedene Wellenlängen resultieren. Die beiden Scheiben sind im Huckepackverfahren aufeinandergeschichtetj wie in Pig. I dargestellt. Die Verbindung der beiden aufeinanderliegenden Scheiben kann durch einen durchsichtigen Klebstoff geschehen oder dadurch, daß die zweite Halbleiterscheibe epitaxial auf der Oberfläche der ersten gezogen wird (Aufwachsverfahren). Da der eine Detektor oberhalb des anderen liegt, kann zur Messung ein einziges Strahlungsbündel verwendet;;werden. Die Signale der beiden Detektoren werden anschließend elektrisch miteinander verglichen, so daß sich das Verhältnis der Intensitäten der beiden Wellenlängen feststellen läßt.
Wird bei der bekannten fotoelektrischen Halbleitereinrichtung der eingangs geschilderten Art in der Ausführungsform nach Fig. 1 der Halbleiterdetektor mit der größeren Energielücke oberhalb des Halbleiterdetektors mit der kleineren Energielücke angeordnet, so absorbiert er die Strahlung mit der kürzeren Wellenlänge und der höheren Energie, während er die Strahlung mit der längeren Wellenlänge un d der geringeren Energie zu dem unter ihm liegenden Detektor hindurchläßt. Auf diese Weise wirkt die Halbleitereinrichtung selbst als Filter, da der auf die größere Wellenlänge ansprechende Detektor nicht der Strahlung mit der höheren Energie und der kürzeren Wellenlänge ausgesetzt wird.
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Nachteilig bei den bekannten Halbleitereinrichtungen der eingangs geschilderten Art ist es, daß sie aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt und danach verbunden werden müssen. Ein-vweiterer Nachteil der bekannten Halbleitereinrichtungen besteht darin, daß an den Grenzflächen der unterschiedlichen Materialien Strahlungsenergie verloren geht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine fotoelektrische HaIbleitereinrichtung::der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die preiswert in der- Herstellung ist, eine Messung mit mehr w als zwei Farben erlaubt und die oben geschilderten Nachteile der bekannten Halbleitereinrichtungen vermeidet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein aus einer Legierung bestehender Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps eine sich längs des Körpers ändernde Legierungszusammensetzung aufweist, daß die Energielücke an jeder Stelle des Körpers von der Zusammensetzung an dieser Stelle abhängt, daß im Körper eine Anzahl von Diffusionsbereichen eines zweiten Leitfähigkeittyps an Stellen unterschiedlicher Zusammensetzung vorgesehen sind, die in Verbindung mit dem Rest des Körpers p-n -übergänge mit jeweils einer fotoelektrischen Spitzenempfindlichkeit für unterschiedliche Wellenlängender zu messenden Strahlung bilden und daß zur elektrischen Kontaktgabe Anschlußkontakte für die einzelnen Diffusionsbereiche und den Rest des Körpers vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße fotoelektrische Halbleitereinrichtung verwendet p-n-übergänge enthaltendes Halbleitermaterial. Im öleichgewichtszustand muß das Ferminiveau E« konstant sein. Da das Ferminiveau bei Halbleitermaterial des n-Typs näher am Leitungsband und bei Halbleitermaterial des p-Typs näher am Valenzband liegt, wird eine Potentialschwelle erzeugt. Trifft nun eine Strahlung mit zur Intrinsicaktivierung geeigneter Energie auf die Oberfläche des p-n-überganges, so
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werden Defektelektronenpaare erzeugt. Die Minoritätsträger überschreiten die Potentialschwelle längs der Stufenbreite, wodurch der Minoritätsträgerstrom anwächst. Da der Gesamtstrom Null bleibt, muß der Majoritätsträgerstrom in demselben Maße anwachsen wie der Minoritätsträgerstrom. Dieser Anstieg des Majoritätsträgerstromes bewirkt eine Verminderung der Höhe der Potentialschwelle, wobei die Spannung an den Klemmen der Halbleitereinrichtung gleich dem Betrag ist, um den die Potentialschwelle vermindert wird. Die Wellenlänge bei der die Spitzenempfindlichkeit in Bezug auf den fotoelektrischen Effekt erreicht wird, ist durch die Energielücke des Halbleitermaterials bestimmt.
Eine Halbleiterlegierung ist eine Legierung aus zwei Halbleitern oder aus einem Halbleiter und einem Halbmetall mit Halbleitereigenschaften. Die Zusammensetzung der Legierung bestimmt die Energielücke und damit die optischen und Halbleitereigenschaften des Materials. Es läßt sich nun eine Halbleiterlegierung herstellen, deren Legierungszusammensetzung an unterschiedlichen Stellen des Legierun gsmaterials voneinander abweicht.
Nach einem Merkmal der Erfindung wird die zur Messung mit mehreren Farben geeigneter Halbleifeermeßeinrichtung aus einem einzigen aus einer Halbleiterlegierung bestehenden Körper gebildet, indem sich die Legierungszusammensetzung innerhalb des Körpers ändert. In Stellen des Körpers , an denen er eine unterschiedliche Legierungszusammensetzung aufweist, sind Diffusionsbereiche eindiffundiert, welche gegenüber dem Rest des Körpers p-n-übergänge bilden. Da nun die Energielücke und damit die Spitzenempfindlichkeit für eine bestimmte Wellenlänge von der Zusammensetzung des Materials an der betreffenden Materialstelle abhängt, sind den verschiedenen p-n-übergängen Spitzenempfindlichkeiten für unterschiedliche Wellenlängen zugeordnet. Auf diese Weise stellt die erfindungsgem/ißc Hulbleitereiririchtung eine Reihe von einzelnen fotoolektriochen Detektoren dar, die in einen einzigen Körper aus
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- 6 einer Halbleiterlegierung eingearbeitet sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsformen anhand der Zeichnung erläutert.
Darin zeigt:
Fig. 1 eine in der bekannten Weise aufeinanderge- .
schichtete zur Messung in zweiFarben geeignete Halbleitereinrichtung,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer zur Messung
in mehreren Farben geeigneten erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung, die einen aus einer Halbleiterlegierung bestehenden Körper aufweist,
Fig. 3 eine Filtereigenschaften aufweisende zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung und
Fig. 5 eine einen Filtereffekt aufweisende~vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wie aus Fig. 2 ersichtlich p-n-übergänge bildende Diffusionsbereiche 10 an der Oberseite 11 einer Scheibe 12 aus einer Halbleiterlegierung angeordnet. Auf die zrsr Oberseite 1,1 fällt die durch einen Pfeil 13·angedeutete zu messende Strahlung. Die Zusammensetzung der Legierung ändert sich, in einer parallel zur Oberseite 11 verlaufenden Richtung, so daß jeder der p-n-übergänge an einer Stelle des Körpers 12 angeordnet ist, an der dieser eine andere Legierungszusamnensetzung aufweist. Ein gemeinsamer Anschlußkontakt 14 ist an der der Oberseite 11 gegenüberliegenden Unterseite 15 angebracht. Obwohl in Fig. 2 drei Diffusionsbereiche 10 dargestellt sind, so ist die Erfindung doch nicht auf diese Zahl von Diffusionsbereichen beschränkt.
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Eis·' 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungs* gemäßen HaTbleitereinrichtung. Die "bestrahlt© Fläche 16 steht im xvesentlichen senkrecht zur Oberseite 11, in die die p-n-tfbergänge eingearbeitet sind. Auf der der Oberseite 11 gegenüberliegenden Unterseite 15 ist ein allen p-n-ü'bergängen zugeordneter gemeinsamer Anschlußkontakt 14- angeordnet. Wenn sich nun 'die Zusammensetzung der Legierung derart ändert, daß das Molverhältnis χ mit der größeren Energielücke mit sinkendem Abstand zur Einfallsfläche 16 ansteigt, so ist dem ersten Detektor die größte Energielücke zugeordnet, \iährend für die nachfolgenden Detektoren die Energielücke immer kleiner wird. Auf diese Weise werden die kürzesten Wellenlängen mit der größten Strahlungsenergie von den oberen Detektoren absorbiert, während die längeren Wellenlängen mit der geringeren Strahlungsenergie durch die Einrichtung zur den in Pig. 3 unteren Detektoren hindurchgelassen werden.Hierdurch ergibt sich eine durch den Aufbau der Halbleitereinrichtung bedingte filternde Wirkung.
In der in Fig. 4- dargestellten ddtten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung sind Diffusionsbereiche 20 und 21 in zwei einander gegenüberliegende - Seiten 22 und 23 eingearbeitet. Die wiederum durch einen Pfeil 13 angedeutete Strahlung fällt auf eine Seitenfläche 15, die senkrecht zu den beiden Seiten'22 und 23 steht. An einer ebenfalls senkrecht zu den beiden p-n-ubergänge:. aufweisenden Seiten 22, 23 stehenden zweiten Seitenfläche 2A- ist ein gemeinsamer Anschlußkontakt 24- angeordnet. Wie sich aus Fig. 4 entnehmen läßt, muß die Diffusionstiefe der Diffusionsbereiche 21 und genau gesteuert werden, um sicherzustellen, daß die beiden Bereiche sich nicht berühren.
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Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, beider die durch einen Piä.1 13 angedeutete Strahlung auf die der die Diffusionsbereiclie 10 aufweisenden Oberseite !!gegenüberliegende Unterseite 15 auftrifft. Der gemeinsame Kontakt 24 ist an einer der Seitenflächen der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung angeordnet. Wenn der Abstand t zvri.s3Dh.en der Unterseite 16 und dem . p-n-Übergang und der Abstand d zwischen den Seiten der p-n-'übergänge größer als die Diffusionslänge der Minoritätsträger ist, wird eine Filterxtfirkung durch die Halbleitereinrichtung bewirkt.Dieser Eiltereffeiet ist durch.eine Zeile aus nebeneinander liegenden auf verschiedene Farben ansprechende Schmalbandjle-'fcekt.aren bedingt. —■■■ - " . .
~ --■ Eine-geeignete Legierung für di-e-erfindun-gsgemäße Halbleitereinrichtung ist Quecksilber-Cad:nium-Tellurid_ (Hg,. Cd" Te ν . ^uecksilber-Cadmium-Tellurid ist eine aus einem Halbmetall—(Que^ksilber-ffiellurid) und einem Halbleiter (Cadmium-Tellurid) bestaEen^Te^L^gierung. Das KoI-Verhältnis (x) von Cadmium-Üellurid in der Legierung bestimmt die Energielücke und damit die Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit der Legierung. Es wurde gefunden, daß Hg. Cd Te eine für die Intrinsic-Fotoleitfähigkeit im Infrarotbereich geeignete Energielücke aufxveist,wobei die Wellenlänge für die Spitzenempfindlichkeit von der Zusammensetzung der Legierung abhängt. Hierdurch ist Ilgxi Cd^^Te eine für die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung geeignete Halbleiterlegierung.
In den IEEE - Transactions on Electron Devices, Seite 880 - 884, Oktober 1969, ist" von E.L.Stelser und anderen ein abgewandeltes Bridgman-Verfahren zur Herstellung eines Blocks aus Hg,, ,„Cd JTe-Blockes angegeben, der an
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- Q —
verschiedenen Stellen eine unterschiedliche Legierungszusammensetzung aufweist. Aus einem derartigen Block läßt sich die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung gewinnen. Der Block wird dabei in Scheiben geschnitten,die iriit dem Elektronenstrahl eines Feinfühlers abgetastet werden, um eine Seitenansicht der Zusammensetzung der Scheibe zu erhalten. Unter Verwendung der so erhaltenen Information werden Diffusionsbereiche derart in die Scheibe eindiffundiert, daß die hierdurch bedingten p-n-Übergänge an Stellen der Scheibe sitzen, die eine geeignete Legierungszuaannensetzung aufweisen, die für die Spitzenempfindlichkeit des Detektors bei einer bestimmten gewünschten Wellenlänge nbiwendig-J^st. Eine typische mit mehreren """ j?arben arbeitende erfindungsgemäße fotoelektrische Einrichtung hat Seitenabmessungen von nurwenigen Millimetern.
Andere Möglichkeiten aur
x bestehenden Körpers mit unterschiedlicher Legierungszusammensetzung sind durch ein ^era±tß^B±eW Auf v/achsverfahren, ElnQi£imixxte?Wn=^an~EgGe in CdTe und durch Verdampfungsverfahren gegeben.
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Die Energielüclce von Kg,, Cd Te hängt sowohl von der
I ·* jC jt
Temperatur als auch von der Legierungszusammensetzung ab, wobei wiederum die Stärke der Temperaturabhängigkeit der Energielücke von der Zusammensetzung des Materials abhängt. Es ist möglich, das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung durch Temperatüränderung einzustellen, da die Energielüclce jedes einzelnen Detektors ein anderes Temperaturverhalten und damit eine ande~ re Wellenlänge für die Spitzenempfindlichkeit aufweist. Ein thermo-elektrischer Kühler ist beispielsweise eine Vorrichtung, die zur Steuerung der Detektortemperatur Verwendung finden kann, V/ird die Einrichtung bei einer ■in der Nähe der Raumtemperatur liegenden TemTresatur verwendet lso__is^~keiKfe__Einlcapselung der Einrichtung dig. Wenn aber bei niedrigen Temperaturen gearbeitet wird, so muß eine die Bestralilungsflache der Einrichtung überdeckende ■ durchsichtig Fläche vorhanden sein, die eine Kondensation von Feuchtigkeit auf der bestrahlten fläche verhindert.
Aus der Beschreibung ergibt sich, daß Strahlungsverluste durch Verwendung unterschiedlicher Materialien bei der Strahlungsmessung durch die erfindungsgemäße Einrichtung verhindert werden. Selbstverständlich können anstatt einer Legierung aus rig. Cd Te auch andere geeignete Halbleiterlegierungen verwendet werden, die eine unterschiedliehe Legierungszusammensetzung aufweisen, wie beispielsweise Blei-Zinn-Tellurid oder andere.
Patentansprüche:
1 09883/ 1 S72

Claims (12)

  1. - ii -
    Patentansprüche
    Fotoelektrische Halbleitereinrichtung mit einer
    Spitzenempfindlichkeit für mehrere Wellenlängen
    einer auf die Einrichtung fallenden zu messenden
    Strahlung, dadurch gekennzeichnet daß ein aus einer Legierung bestehender Halbleiterkörper (12) eines ersten Leitfähigkeitstyps- eine längs
    -des Körpers sich ändernde Zusammensetzung aufweist,
    daß die Energielücke an jeder Stelle des Körpers von
    dessen Legierungszusammensetzung an dieser Stelle abhängt, ^"
    daß im Körper eine Anzahl von
    eines zweiten Leitfähigkeitstyps an Stellen unterschiedlicher Zusammensetzung vorgesehen sind, die in
    Verbindung mit dem Rest des Körpers p-n-Übergänge mit jeweils einer fotoelektrischen Spitzenempfindlichkeit für eine andere Wellenlänge der zu messenden Strahlung (13) bilden und
    daß zur elektrischen Kontaktgabe Anschlußkontakte für die einzelnen Diffusionsbereiche und den Best des
    Körpers vorgesehen sind.
  2. 2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper aus einer Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Legierung bestellt.
  3. 3) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
    gekennzeichnet , daß zum Messen der
    Potentialdifferenz zwischen dem Rest des Körpers (12) und den einzelnen Diffusionsbereichen eine Iießvorrichtung vorgesehen ist.
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  4. 4) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3,d a durch gekenn zeichnet, daß die mit den Diffusionsbereichen (10) versehene Oberseite (11) des Körpers (12) der zu messenden Strahlung (13) ausgesetzt ist.
  5. 5) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zur elektrischen Kontaktgabe an der der Oberseite (11) des Körpers (12) gegenüberliegenden Unterseite (15) ©in ge-
    P meinsamer Anschlußkontakt (14-) vorgesehen ist,und. daß die einzelnen Diffusionsbereiche (10) jeweils einen eigenen Anschlußkontafct aufweisen(Pig. 2)
  6. 6) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a durch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen senkrecht zu den mit den Diffusionsbereichen (10) versehenen Seiten (11, 22,23) des Körpers (12) stehende Seitenfläche (16) des Körpers der zu messenden Strahlung (13) ausgesetzt istClig. 3, Fig. 4).
  7. k . 7) Einrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h ge-, kennzeichnet , daß die an der Oberseite (11) des Körpers (12) angeordneten Diffusionsbereiche (10) mit dem Rest des Körpers · p-n- Übergänge bilden, deren Wellenlänge für die Spitsenempfindlichkeit mit wachsender Entfernung der . einzelnen Übergänge zu der der zu messenden Strahlung (13) ausgesetzten Ebene (16 ) des Körpers zunimmt (Fig. 3)
  8. 8) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet j daß die einzelnen Diffusionsbereiche (10) auf zwei einander gegenüber-
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    liegenden Seiten (22, 25) des Körpers (12) angeordnet sind (Pig. 4).
  9. 9) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3", da durch gekennzeichnet, daß eine der mit den Diffusionsbereiehen (10) versehenen Oberseite des Körpers (12) gegenüberliegende Seite (15) der zu messenden Strahlung (13) 'ausgesetzt ist. (Fig.5)
  10. 10) Einrichtung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand (d) zwischen den Rändern der Diffusionsbereiche (10) und der Abstand (t.1) zwischen der der Strahlung ausgesetzten Ebene (15) "uncL den p-rn-Übergängen der Diffusionsbereiche (10) größer als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger des Körpers (12) sind. (Fig.5)
  11. 11) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (.12) aus einer Quecksilber-Oadmium-Tellurid-Legierung besteht.
  12. 12) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1. - 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Steuerung der Vorrichtungstemperatur vorgesehen ist.
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DE19712119945 1970-06-29 1971-04-23 Fotoelektrische Halbleitereinrichtung Pending DE2119945A1 (de)

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