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Fotoelektrische Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf
eine fotoelektrische Halbleiteranordnung mit einer Lichtempfangsfläche. Insbesondere
erstreckt sie sich auf eine fotoelektrische Halbleiteranordnung, mit dem die Empfindlichkeitscharakteristik
über den gesamten spektralen Bereich gemessen werden kann.
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Eine bekannte fotoelektrische Halbleiteranordnung besteht einheitlich
aus einem halbleitenden Element, einer halbleitenden Verbindung oder einer Zusammensetzung
beider, die einen aus solchen Materialien zusammengesetzten Übergang enthält. Es
ist bekannt, daß die spektrale EmpSindlichkeitscharakteristik einer solchen fotoelektrischen
Halbleiteranordnung von den angewandten Materialien und der Struktur abhängt. Besonders
Materialien wie Ge, Si, GaAs, Se, Sb2S3, CdS werden verwendet, um eine Anordnung
zu schafen, die eine ausgezeichnete spektrale Empfindlichkeitscharakteristik in
der Nähe des sichtbaren Lichtes besitzt. Bedenkt man die Tatsache, daß die spektrale
Empfindlichkeitscharakteristik einer solchen Anordnung von den
Materialien
und der Struktur der Anordnung abhängt, besonders vom Material, so erscheint es
schwierig, eine fotoelektrische Anordnung zu schaffen, die die gewünschte spektrale
Empfindlichkeitscharakteristik aufweist.
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Z. B. ist es erwünscht, eine fotoelektrische Anordnung zu erhalten,
welche eine Empfindlichkeit besitzt, die nahezu der Sehempfindlichkeit des menschlichen
Auges gleicht. Nimmt man an, daß dieser Wunsch bei einer Anordnung mit einer Sperrschicht
erreicht werden soll, so beträgt der Energiesprung z. B. für Silicium näherungsweise
1 eV, und entsprechend beträgt seine Lichtabsorptionsgrenze näherungsweise 1000
pu und die maximale Empfindlichkeit näherungsweise 700 m/u bis 900 m/u. Da die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges etwa 500 m/u beträgt, ist es notwendig, die Dicke der Diffusionsschichten
im Bereich der Lichtempfangsfläche der Anordnung sehr klein zu halten, d. h.
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die Dicke muß näherungsweise 0,3 /u betragen, damit die Anordnung
eine vergleichbare Empfindlichkeit hat. Nichtsdestoweniger hat eine solche Anordnung
noch eine genügende Empfindlichkeit im Bereich von 700 m/u bis 1000 m/u> der
vom Bereich des sichtbaren Lichtes abweicht. Um die gewünschte spektrale Empfindlichkeitscharakteristik
bei der Benutzung einer solchen Anordnung zu erhalten, wäre es notwendig, einen
speziellen Filter zu benutzen. Darüberhinaus ist ein hoher technischer Aufwand erforen
derlich, um eine solche Anordnung/herzustellen, weil ja keine reproduzierbaren Charakteristiken
hergestellt werden können.
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Aus strukturellen Gesichtspunkten ist für die vorliegende Erfindung
von Interesse die US-PS 5 679 949 (des Anmelders vorliegender Erfindung). Das genannte
Patent bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, bei der ein Zinnoxid-Film (Sn02)
auf einem halbleitenden Substrat wie Silicium niedergeschlagen ist und die einen
Barrierenübergang (Sperrschicht) besitzt, der gleichrichtende und fotoelektrische
Charakteristiken aufweist.
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Aufschlußreicher und interessanter für vorliegende Erfindung ist jedoch
eine Halbleiteranordnung, die einen Zinnoxid-Film (SnO2) aufweist, der auf der Lichtempfangsfläche
eines halbleitenden
Substrats niedergeschlagen ist, welches einen
PN-Übergang besitzt, unter Bezug auf die Fig. 8 und 9 vorgenannter PS beschrieben
ist und selbst als fotoelektrische Anordnung dient.
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Die genannte Anordnung besitzt einen Barrierenübergang, der gleichrichtende
und fotoelektrische Eigenschaften aufweist. Die gleichrichtende Richtung des PN-Uberganges
und der Barrieren-Ubergang sind in entgegengesetzter Polung angeordnet. Eine Halbleiteranordnung
mit einem Paar von Übergängen, die in entgegengesetzter Richtung gleichrichtende
Wirkung besitzen, weist Empfindlichkeit über den gesamten spektralen Bereich auf,
wobei die fotoelektrischen Charakteristiken der beiden Übergänge komplementär reagieren.
Jedoch lehrt das vorgenannte Patent weder noch legt es nahe: Die Steuerung der Empfindlichkeitsc'harakteristik
solcher Anordnungen über den gesamten spektralen Bereich. Daher ist die Empfindlichkeitscharakteristik
der genannten Anordnung durch die verwendeten Materialien und die Form der Anordnung
festgelegt.
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fotoelektrische Eine andere bereits vorgeschiagene/ zlaiuieiteranordnung
welche von Interesse ist und eine unterschiedliche strukturelle Gestalt hat, ist
Gegenstand der amerikanischen Anmeldung, Serien-Nr. 504 809 (Anmelder gleich Erfinder
vorliegender Erfindung: Shigeru Tanimwa). Im wesentlichen bezieht sich die Anmeldung
auf eine Halbleiteranordnung, die ein Halbleitersubstrat enthält, einen Isolierfilm,
der auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist und einen Zinnoxid-Film, insbesondere
Zinnasche (SnO2), die auf dem Isolierfilm -niedergeschlagen ist und gleichrichtende
Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise ist das Material des Halbleitersubstrates aus
einer Gruppe gewählt, die aus Si, Ge und GaAs umfaßt. Für den Isolierfilm wird ein
Material aus der Gruppe bestehend aus SiO2, Si3N4 und GeO2 bevorzugt. Die Dicke
des Isolierfilmes kann gewählt werden zwischen 15 R und 500 Å ; aber vorzugsweise
soll eine Dicke des Isolierfilmes zwischen 27 und )U0 , insbesondere zwischen 27
und 100 R gewählt werden.
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Weiterhin ist für vorliegende Erfindung aus strukturellen Gesichtspunkten
der allgemein bekannte Fototransistor von Interesse. Ein Fototransistor enthält
eine Emitterschicht
eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, eine Basisschicht
eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und eine Kollektorschicht des ersterwähnten
Leitfähigkeitstyps, welche nacheinander von der Lichtempfangsfläche aus gebildet
werden und zwischen welchen PN-Ubergänge liegen. Der Fototransistor ist so aufgebaut,
daß das einfallende Licht die Basisschicht erreicht. Der Fototransistor besitzt
zwei Anschlüsse, während die Basis potentionaifrei bleibt (passiver Zwei-pol). Eine
elektrische Spannung wird zwischen dem Kollektor und dem Emitter angelegt, so daß
eine Vorspannung zwischen Kollektor und Basis in Sperrrichtung gelegt ist und in
Vorwärtsrichtung zwischen Emitter und Basis. Wenn das Licht auf den PN-Übergang
der Basiszone, zwischen dem Kollektor und der Basis, trifft, die in Sperrrichtung
vorgespannt ist, werden durch das Licht eine Reihe von Elektronen und positiven
Löchern (Defektelektronen) erzeugt und die Dichte der Minoritätsleitungsträger wird
größer als der Wert, der dem thermischen Gleichgewicht entspricht.
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Die Ladungsträger dringen in den Kollektor ein und folglich wird der
Rückwärtsstrom größer. Das Basispotential wird in einem günstigen Sinne hinsichtlich
des Rückwärtsstromes geändert, so daß die Minoritätsladungsträger vom Emitter in
die Basis eindringen können. Entsprechend bewegen sich die Minoritätsladungsträger
vom Emitter in die Basis und in gleicher Weise wie beim Transistor in die Kollektorzone.
Da ja ein Fototransistor eine Art von Transistor ist, beträgt die Dicke der Basisschicht
gewöhnlich 1-3 /u. Angesichts der Tatsache, daß der Fototransistor ein Paar von
PN-Übergängen enthält, die in entgegengesetzter Richtung gepolt sind, gleicht der-Fototransistor
einer Halbleiteranordnung, die eine Kombination eines Hetero-Barrieren-Überganges
und eines PN-Überganges aufweist, die in entgegengesetzter Richtung gepolt sind,
wie es auch in Fig. 8 der vorgenannten US-PS gezeigt ist. Jedoch ist die Basisschicht
des Fototransistors extrem dünn, verglichen mit der N-leitenden Schicht der eine
SnO2-Sc hicht, eine N-leitende Silicium-Schicht und eine P-leitende Silicium-Schicht
enthaltenden Anordnung nach Fig. 8 des vorgenannten Patentes. Folglich weist sie
einen Transistor-Effekt auf. Daher kann die
gesamte spektrale Empfinlichkeitscharakteristik
nicht als übereinstimmend mit jeder Empfindlichkeitscharakteristik eines Paares
von PN-0bergängen bezeichnet werden, sondern muß betrachtet werden als die spektrale
Empfindlichkeitscharakteristik eines(bestimmten) Transistors. Weiterhin ist die
Festlegung einer solchen spektralen Empfindlichkeitscharakteristik eines Fototransistors
nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt ausgehend von der eingangs genannten Anordnung
die Aufgabe zugrunde, die spektrale Empfindlichkeit festlegen bzw. steuern zu können.
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Im wesentlichen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleiteranordnung,
die eine Lichtempfangsfläche aufweist und eine erste, zweite rund dritte halbleitende
Schicht besitzt, die in einer solchen Dicke ausgebildet sind, daß sie vom im Bereich
der Lichtempfangsfläche einfallendenLicht durchdrungen werden können, wobei zwischen
den benachbarten Halbleiterschichten ein Paar von Foto-Dioden gebildet ist, die
genannten Fotodioden jeweils einen Übergang mit gleichrichtender und fotoelektrischer
Charakteristik besitzen und entgegengesetzt gepolt geschaltet sind, wobei Mittel
zur Anlegung einer Vorspannung an die Fotodiode vorgesehen sind und -die Fotodiode
einen Übergang enthält der entfernt von der Lichtempfangsfläche gebildet ist. Von
dem Paar von Fotodioden dient jede einzelne als diskrete. Fotodiode. Darum weist
die zweite Schicht, die beiden Fotodioden zugehört, eine merkliche Dicke auf, innerhalb
eines Bereiches, der den Durchtritt des einfallenden Lichtes erlaubt. Falls die
Anordnung aus Silicium besteht, beträgt die Dicke der zweiten Halbleiterschicht
5 bis 50 Xu. Aus dieser Bestimmung ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung
sich klar von den allgemeinen bekannten Fototransistoren unterscheidet. Die vorerwähnte
bekannte Halbleiteranordnung ist nicht vorgespannt und weist eine spektrale Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik
auf, bei der die jeweilige spektrale Empfindlichkeitscharakteristik des Paares der
Fotodioden kompensatorisch erscheint.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, daß die vorgenannte
spektrale Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik der Halbleiteranordnung bestimmt
werden kann als eine Funktion der Vorspannung, die an die Fotodiode angelegt wird
auf einer von der Seite entfernten Lichtempfangsfläche und daß die spektrale Gesanit-Empfindlicheitscharakteristik
der Halbleiteranordnung in nicht vorgespanntem Zustand anfänglich eine Funktion
der Dicke der zweiten Halbleiterschicht ist. Es wird hervorgehoben, daß die vorliegende
Erfindung von dieser Entdeckung ausgeht.
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In einer bevorzugten Anwendung, bei Verstellung der Vorspannung bis
der Ausgangsstrom den Wert Null erreicht,wird - gemessen anhand des Kurzschlußstromes
für die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik der HalbleiteranorsAmln2 - die
Wellenlänge des einfallenden Lichtes (Strahlung, d. h. über den gesamten Wellenlängenbereich)
anhand des Wertes der eingestellten Vorspannung ermittelt. Ferner kann ein Farbidentifikator
vorgesehen sein, der eine Ausführungsform der Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl
von unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken nutzt.
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Vorzugsweise schafft vorliegende Erfindung eine fotoelektrische Halbleiteranordnung
von spektraler Empfindlichkeitscharakteristik, die leicht einstellbar ist. Weiterhin
zeigt vorliegende Erfindung vorteilhaft eine fotoelektrische Halbleiteranordnung
auf, die eine als Funktion der angelegten Vorspannung steuerbare spektrale Empfindlichkeitscharakteristik
besitzt.
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Weiterhin läßt sich mit vorliegender Erfindung vorteilhaft die Anfangs-Empfindlichkeitscharakteristik
einer fotoelektrischen Halbleiteranordnung mit spektraler Empfindlichkeitscharakteristik
festlegen.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung in einfacher
Weise zur Bestimmung der Wellenlänge des einfallenden Lichtes dienen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht eines Halbleiterkörpers gemäß
der Halbleiteranordnung vorliegender Erfindung, Fig. 2 ein äquivalentes Schaltbild
zu der Halbleiteranordnung nach Fig. 1, Fig. 3 einen Stromkreis gemäß vorliegender
Erfindung, in dem die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 eingesetzt ist, Fig. 4 eine
grafische Darstellung der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik-über den gesamten
Wellenbereich, gemessen in Werten des Kurzschlußstromes und an der Halbleiteranordnung
nach Fig. 1, die gemäß Fig. 7 in einen Stromkreis eingeschaltet ist, und mit verschiedenen
Vorspannungswerten als Parameter, Fig. 5 eine grafische Darstellung der relativen
Empfindlichkeit, die allein anhand des Kurzschlußstromes der ersten Fotodiode (Fotodiode
D 1) in Vorwärtsrichtung gemessen ist, ausgehend von den Kurven für die Kurzschlußströme,
die die spektrale Empfindliehkeitscharakteristik nach Fig. 4 wiedergeben und mit
verschiedenen Werten der Vorspannung als Parameter, Fig. 6 eine grafische Darstellung
ähnlich der nach Fig. 4, wobei jedoch der Kurzschlußstrom, der die spektrale Empfindlichkeit
wiedergibt, an einer in Bezug auf die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 hinsichtlich
der Dicke der Halbleiterschicht
2 (Si)geänderten Halbleiteranordnung
gemessen ist, Fig. 7 eine grafische Darstellung ähnlich der in Fig. 5, jedoch gemessen
an einer Halbleiteranordnung wie in'Fig. 6 in Vorwärtsrichtung und nur für die erste
Fotodiode (Fotodiode D 1), mit verschiedenen Werten der Vorspannung als Parameter,
Fig. 7A ein Schaltbild mit geänderter Einschaltung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,
um die Vorspannung in anderer Weise anzulegen, Fig. 8 eine grafische Darstellung
des die spektrale Empfindlichkeit repräsentierenden Kurzschlußstromes in nicht vorgespanntem
Zustand der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 und wobei sie gemäß Fig. 3 verbunden
ist und verschiedene Werte der Dicke der zweiten Halbleiterschicht (N-leitende Halbleiterschicht
2 (Si)) als Parameter dienen, Fig. 9 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen
relativer Empfindlichkeit und Wellenlänge des Lichtes, wobei die relative Empfindlichkeit
in Werten des Kurzschlußstromes in Vorwärtsrichtung für die erste Fotodiode (Fotodiode
D 1) gemessen ist und als Parameter Werte der Dicke der N-leitenden Halbleiterschicht
2 dienen, Fig. 10 eine grafische Darstellung ähnlieh der nach Fig. 9, die die Beziehung
zwischen der relativen spektralen Empfindlichkeit, gemessen in Werten der Leerlaufspannung,
und der Wellenlänge des Lichtes aufzeigt,
Fig. 11A-C eine Darstellung
des Energieniveaus, wonach die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung
beschrieben ist, Fig. 12 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Wellenlänge
des einfallenden Lichtes und der Vorspannung, wenn der Ausgangsstrom im Stromkreis
nach Fig. 3 auf Null eingestellt ist, Fig. 15 einen Schaltkreis mit der erfindungsgemäßen
Halbleiteranordnung in anderer Verbindungsweise, nach welchem die in Fig. 12 dargestellte
Charakteristik erhalten wird, Fig. 14 ein schematisches Schaltbild einer anderen
Anordnung nach vorliegender Erfindung, welche als Farbidentifikator dient, Fig.
15 eine grafische Darstellung der Eigenschaften der drei ersten Fotodioden, welche
in der Anordnung nach Fig. 14 enthalten sind, und Fig. 16 ein schematisches Schaltbild
einer anderen Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
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In den Zeichnungen, die unterschiedliche Schaltungen oder Charakteristiken
wiedergeben, bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Teile.
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Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterkörpers, der eine
brauchbare Ausführung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung darstellt. Die gezeigte
Halbleiteranordnung besteht aus einem Halbleitersubstrat, das eine Halbleiterschicht
1 (Si) vom Leitfähigkeitstyp P und eine Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp
N enthält. Die Schicht 2 ist auf der Schicht 1 gebildet durch Diffussion, oder epitaktisch
aufgewachsen,
oder mittels anderer bekannter Techniken hergestellt.
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Dabei entsteht ein PN-Übergang P zwischen den genannten Schichten.
Auf der Halbleiterschicht 2 vom Leitfähigkeitstyp N wird ein Zinnoxid-Film 4 niedergeschlagen,
wobei eine dünne Filmschicht 8 eines isolierenden Materials wie SiO2 einer Dicke
von 15 2 bis 30 2 zwischengelagert ist. Dabei wird ein gleichrichtender Barrierenübergang
A zwischen der vorgenannten Schicht 2 vom Leitfähigkeitstyp N und dem Zinnoxid-Film
4 gebildet, in welchem die Richtung vom Zinnoxid-Film 4 zur N-leitenden Schicht
2 hin die Vorwärtsrichtung ist. Die Halbleiteranordnung enthält vorzugsweise einen
Isolierfilm 9 aus einem elektrisch isolierendem Material wie Siliciumdioxyd, bei
einer genügenden Dicke, z. B.
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0,6 /u> der auf einem Teil der Hauptoberfläche der Schicht 2 vom
Leitfähigkeitstyp N gebildet ist. Die dünne Filmschicht 8 aus isolierendem Material
und der Zinnoxid-Film 4 sind durch eine durch den Isolierfilm 9 definierte Öffnung
hindurch auf einer Teilfläche der Schicht 2 des Leitfähigkeitstyps N gebildet.
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Der auf diese Weise entstandene Barrierenübergang A ist bestimmt
durch den Isolierfilm 9 und liegt nicht frei, wodurch günstige Eigenschaften der
Halbleiteranordnung gesichert sind. Die Halbleiteranordnung weist weiterhin auf:
Eine Metall-Elektrode 6 auf dem Zinnoxid-Film 4, eine Metall-Elektrode 5 auf der
Schicht 1 vom Leitfähigkeitstyp P und eine Metall-Elektrode 7 auf der Schicht 2
vom Leitfähigkeitstyp N.
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Der Zinnoxid-Film 4 der Halbleiteranordnung ist so gewählt, daß er
gut leitet und selbst einen Halbleiter vom Leitfähigkeitstyp N darstellt. Die Leitfähigkeit
dieses Zinnoxid-Filmes ist nahezu gleich der von Metall, z. B. etwa 1020Atome/cm5
bezogen auf die Konzentration freier Elektronen (Ladungsträgerdichte). Die Eigenschaft
eines Halbleiters vom Leitfähigkeitstyp N kann mittels einer schnellen chemischen
Reaktion durch Niederschlagen von SnO2 erhalten werden. Das kann vermutlich durch
den ttberschuß von Metall oder durch den Mangel an Sauerstoff erklärt werden, was
aus der Schnelligkeit des Ablaufes der Reaktion folgt. Aus obiger Beschreibung ist
zu verstehen, daß die dargestellte Halbleiteranordnung enthält:
einen
ersten Übergang A, welcher eine Schottky-Barriere darstellt, bestehend aus Si und
SnO2 mit der Zwischenlagerung einer SiO2-Filmschicht 8 und einen zweiten Übergang
B, der ein PN-Übergang im Silicium ist.
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Bei der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 ist die Dicke der Schicht
2 vom Leitfähigkeitstyp N zwischen 5 und 50 /u gewählt.
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Da jedoch der Zinnoxid-Film 4 und die Filmschicht 8 aus isolierendem
Material wie SiO2 durchgängig transparent sind, kann das auf die Lichtempfangsfläche
(obere Fläche) der dargestellten Halbleiteranordnung einfallende Licht (bzw. Strahlung,
"Licht" bezieht sich hier immer auf den ganzen Wellenlängenbereich) die Schicht
1 vom Leitfähigkeitstyp P erreichen. Es ist also so zu verstehen, daß die dargestellte
Halbleiteranordnung enthält: eine erste Fotodiode D 1, die einen ersten zwischen
dem Zinnoxid-Film 4 und der Schicht 2 vom Leitfähigkeitstyp N gebildeten Übergang
A aufweist und eine zweite Fotodiode D 2, die einen zweiten Übergang B zwischen
der N-leitenden Schicht 2 und P-leitenden Schicht 1 aufweist.
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Die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 kann in dieser Beziehung klar
vön bekannten, konventionellen Foto-Transistoren unterschieden werden.
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Fig. 2 zeigt ein äquivalentes Schaltbild zur Halbleteranordnung nach
Fig. 1. Die Halbleiteranordnung nach Fig, 1 stellt ein paar von in Serie verbundenen
Fotodioden D 1 und D 2 dar, die entgegengesetzt gepolt sind.
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Das einfallende Licht kleiner und großer Wellenlängen erzeugt eine
Reihe von Elektronen und Defektelektronen in der Nähe des ersten Überganges A, und
hauptsächlich das einfallende Licht großer Wellenlängen erzeugt eine Reihe von Elektronen
und Defektelektronen in der Nähe des zweiten Überganges B. Die Zahl
der
erzeugten Elektronen und Defektelektronen ist in Teilen nahe der Oberfläche größer
und nimmt exponentiell mit der Entfernung der Teile, in welchen sie erzeugt werden,
von der Oberfläche ab. Die Defektelektronen, die in der Silicium-Schicht 2 vom Leitfähigkeitstyp
N in der Nähe des ersten Überganges A erzeugt werden, rekombinieren mit den Elektronen
im SnO2-Film 4 über den ersten Übergang A hinweg, so daß ein fotoelektrischer Strom
von der Seite der Halbleiterschicht 2 vom Leitfähigkeitstyp N zur Seite des SnO2-Filmes
4 über den ersten Übergang A fließt. Andererseits rekombinieren die Elektronen,
die in der Halbleiterschicht 1 vom Leitfähigkeitstyp P in der Nähe des zweiten Uberganges
B erzeugt werden, mit den Defektelektronen, die in der Halbleiterschicht 2 vom Leitfähigkeitstyp
N in der Nähe des zweiten Überganges B erzeugt werden, so daß ein fotoelektrischer
Strom von der Seite der Halbleiterschicht 2 vom Leitfähigkeitstyp N zu der Seite
der Halbleiterschicht 1 vom Leitfähigkeitstyp P über den zweiten Übergang B fließt.
Wenn man bedenkt, daß der fotoelektrische Strom am ersten Übergang A und der fotoelektrische
Strom am zweiten Übergang B in entgegengesetzter Richtung fließen und daß der erstere
Strom vom Licht kleiner und großer Wellenlängen abhängt, während der letztere Strom
hauptsächlich vom Licht großer Wellenlänge abhängt, ist zu verstehen, daß die Wellenlänge,
welche der maximalen Empfindlichkeit in der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik
zugeordnet ist entsprechend in den Bereich kleiner Wellenlängen verschoben ist,
verglichen mit dem Fall eines konventionellen Si-SiO2-Überganges in einem Halbleiterelement,
das keinen PN-0bergang in der Basisplatte hat.
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Die Erfinder vorliegender Erfindung untersuchten Änderungen der spektralen
Empfindlichkeitscharakteristik anhand des fotoelektrischen Stromes, indem verschiedene
Spannungen derart angelegt wurden, daß eine Halbleiteranordnung mit zwei Übergängen
mit einer Spannungsquelle E verbunden wurde, so daß der erste Übergang A und der
zweite Übergang B vorgespannt waren in Rückwärtsrichtung bzw. Vorwärtsrichtung,
wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Im Ergebnis wurde gefunden, daß die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik
sich
abhängig von der Spannung der Spannungsquelle E ändert. Es wird betont, daß die
vorliegende Erfindung von dieser Entdeckung ausgeht. Es folgt eine grundsätzliche
Überlegung zu dem vorgenannten Phänomen. Wenn die Spannung der Spannungsquelle E
in dem Stromkreis nach Fig. 3 an die Fotodiode D 2 im Sinne eines Spannungsabfalles
in Vorwärtsrichtung gelegt ist, ändert sich ein solcher Spannungsabfall als Funktion
der Änderung der Spannung der Spannungsquelle E.
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Deswegen wird die Breite der Sperrschicht am zweiten Übergang B durch
die angelegte Vorspannung eingestellt und eine Driftkomponente des fotoelektrischen
Stromes am zweiten Übergang gesteuert, welcher vermutlich das Phänomen vorgenannter
Entdeckung verursacht.
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Fig. 4 zeigt Kennlinien der spektralen Gesamt-EmpSindlichkeit, gemessen
in Einheiten des Kurzschlußstromes und für den Fall, daß die Halbleiteranordnung
nach Fig. 1 in Übereinstimmung mit dem Stromkreis nach Fig. 3 verbunden ist. Dabei
dienen verschiedene Werte der Vorspannung als Parameter. In der Darstellung sind
die Wellenlängen des einfallenden Lichtes auf der Abzisse in m/u.angezeigt und der
Kurzschlußstrom auf der Ordinate in beliebiger Einheit. Es wird betont, daß die
Kennlinien nach Fig. 4 erhalten werden, wenn eine Halbleiteranordnung nach Fig.
1 mit einer Halbleiterschicht 2 (Si) einer Dicke von 9 ju verwendet ist. Ferner
wird bemerkt, daß die Kurve A für die erste Fotodiode D 1 in dem Falle erhalten
wird, wenn die zweite Fotodiode D 2 in einen offenen Zustand versetzt ist, und die
Kurve C für die zweite Fotodiode D 2 erhalten wird, wenn die erste Fotodiode D 1
in einen offenen Zustand versetzt ist, während die Kurve B die spektrale Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik
der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 zeigt, - ohne Vorspannung. Es versteht sich,
daß eine erhöhte Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die zweite Fotodiode
D 2 bewirkt, daß die Kurve B der der Kurve A ähnelt und eine erhöhte Vorspannung
in Rückwärtsrichtung in Bezug auf die zweite Fotodiode D 2 eine Angleichung der
Kurve B an die Kurve C verursacht.
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Fig. 5 zeigt eine Darstellung der Beziehung zwischen der relativen
Empfindlicheit und der Wellenlänge des Lichtes.
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Zur Darstellung der relativen Empfindlichkeit dient der Kurzschlußstrom
in Vorwärtsrichtung für die Fotodiode D 1, abgeleitet von den Kurven der die spektrale
Empfindlichkeitscharakteristik repräsentierenden Kurzschlußströme nach Fig. 4 und
bei verschiedenen Werten der Vorspannung als Parameter. Es ist anzumerken, daß die
Darstellung nach Fig. 5-unter Verwendung der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 mit
einer Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp N und einer Dicke von 9 7u
erhalten wurde.
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Fig. 6 ist eine Darstellung ähnlich der in Fig. 4.
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Jedoch zeigt sie die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik in Einheiten
des Kurzschlußstromes, der an einer Halbleiteranordnung nach Fig. 1 mit einer Halbleiterschicht
2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp N und von einer Dicke von 43 /u gemessen wurde.
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Fig. 7 ist eine Darstellung ähnlich der in Fig. 5.
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Sie zeigt jedoch die Charakteristik nach Fig. 6 in Vorwärtsrichtung
für die Fotodiode D 1 mit verschiedenen Werten der Vorspannung als Parameter.
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Fig. 7A zeigt einen Stromkreis, der erlaubt, die Vorspannung in anderer
Weise anzulegen. Im Stromkreis nach Fig. 7A ist die Vorspannung nur an die zweite
Fotodiode D 2 angelegt und der Kurzschlußstrom wird nur in Beziehung auf die erste
Fotodiode D 1 gemessen, um die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik des Kurzschlußstromes
zu erhalten.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckten bei weiteren Experimenten,
daß die spektrale Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik des Kurzschlußstromes der
Halbleiteranordnung nach Fig. 1 in nicht vorgespanntem Zustand von der Dicke der
Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp N abhängt. Diese Entdeckung kann,wenn
gewünscht, vorteilhaft zur Anfangsbestirnmung
der gesamten spektralen
Empfindlichkeitscharakteristik der Halbleiteranordnung im nicht vorgespannten Zustand
genutzt werden.
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Fig, 8 ist eine grafische Darstellung der spektralen Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik
des Kurzschlußstromes bei nicht vorgespanntem Zustand, wenn die Halbleiteranordnung
nach Fig. 1 wie im Stromkreis nach Fig. 5 verbunden ist, und mit verschiedenen Werten
der Dicke der Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp N als Parameter. In
der Darstellung sind auf der Abzisse die Werte der Wellenlänge des einfallenden
Lichtes in m/u angezeigt und auf der Ordinate der Kurzschlußstrom in einer beliebigen
Einheit.
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Fig. 9 ist eine Darstellung, die die relative Empfindlichkeit gemessen
anhand des Kurzschlußstromes in Vorwärtsrichtung für die Fotodiode D 1 zeigt, mit
verschiedenen Werten der Dicke der Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp
N als Parameter. In der Darstellung gehört die Kurve A zu einer SnO2 -SiO2-Si-Halbleiteranordnung,
die nicht mit einem PN-Übergang kombiniert ist. Wie aus der Fig. 9 ersichtlich ist,
wird die Wellenlänge, die zum Maximum der Empfindlichkeit gehört, kleiner mit der
Dicke der Halbleiterschicht 2 (Si) vom Leitfähigkeitstyp N. Dies ist verständlich
aufgrund der Tatsache, daß die Wellenlänge des Lichtes, welches zum fotoelektrischen
Stromfluß über den zweiten Übergang beiträgt sich in gleicher Weise zur Seite kleinerer
Werte hin verschiebt wie der zweite Übergang sich der Oberfläche nähert.
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Weiterhin wird eine fotoelektrische Halbleiteranordnung nicht nur
zur Auswertung des fotoelektrischen Stromes genutzt, sondern in einigen Fällen dient
auch die Leerlaufspannung der Halbleiteranordnung als Ausgangssignal.
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Fig. 10 zeigt die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik ähnlich
der Darstellung nach Fig. 9, aber anhand der Leerlaufspannung.
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Wie aus einem Vergleich der Fig. 9 und 10 zu erkennen ist, ändert
sich die Wellenlänge bei der Halbleiteranordnung gemäß vorliegender Erfindung, die
zum Maximum der Empfindlichkeit gehört, abhängig vom Kurzschlußstrom und der Leerlaufspannung.
Dabei ist die vergleichbare Wellenlänge der Leerlaufspannungscharakteristik im Bereich
kleinerer Wellenlängen festzustellen, als die entsprechende in der Kurzschlußstromcharakteristik.
Dies ist zurückzuführen auf den Unterschied zwischen der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik
des fotoelektrischen Stromes,der über den ersten Übergang fließt und jener des fotoelektrischen
Stromes, der über den zweiten Übergang fließt, insbesondere, weil die Empfindlichkeit
des fotoelektrischen Stromes des zweiten Überganges niedrig ist im Bereich kleiner
Wellenlängen verglichen mit dem ersten Übergang. Keine der konventionellen Halbleiteranordnungen
hat solche Eigenschaften, d. h. daß eine einzelne Anordnung die Eigenschaft aufweist,
ein unterschiedliches Empfindlichkeits-Maximum bei einer bestimmten Wellenlänge
zu haben, abhängig von der Art des gebildeten Ausgangssignales, des Kurzschlußstromes
oder der Leerlauf spannung.
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Daher hat die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung Vorteile, die keine
andere konventionelle Anordnung aufweist. Mittels einer einzelnen erfindungsgemäßen
Anordnung ist es möglich, aufgrund der Messung des Kurzschlußstromes und der Leerlaufspannung
zu entscheiden, ob die Verteilung der Wellenlängen einer Lichtquelle hinsichtlich
großer oder kleiner Wellenlängen ausgerichtet ist.
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Nachfolgend wird nun die Wirkungsweise des Gegenstandes vorliegender
Erfindung vollständig erläutert.
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Fig. 11A-C zeigt ein Energieniveau der erfindungsgemäßen Anordnung
nach Fig. 1. Dabei gibt Fig. 11A das Energieniveau der Halbleiteranordnung nach
Fig. 1 wieder, ohne daß an einen Übergang eine Vorspannung angelegt ist. Die Elektronen
und die Defeektelektronen, die in der Halbleiteranordnung durch Auftreffen des Lichtes
erzeugt werden, wandern oder diffundieren in Richtungen, die durch einen schwarzen
bzw. einen weißen Pfeil angezeigt sind, bzw. sie bewirken einen geringen Stromfluß
in RUckwärtsrichtung in Beziehung auf den entsprechenden Übergang. In
der
Halbleiteranordnung wird die Spannungsquelle E in der Weise verbunden, daß eine
Vorspannung in Rückwärtsrichtung an den ersten Übergang gelegt ist und eine Vorspannung
in Vorwärtsrichtung an den zweiten Übergang. Dabei ändert sich das Energieniveau
zu einem Zustand hin, wie er in Fig. 11B dargestellt ist. Im Ergebnis wird die Driftgeschwindigkeit
der Ladungsträger, die sich durch den zweiten Übergang bewegen, geringer, mit der
Folge, daß der schwache Strom,der durch den zweiten Übergang fließt, schließlich
vermindert wird, und der schwache Strom, der durch den ersten Übergang fließt, überwiegt
(Pfeilgröße!). Wenn jedoch die Halbleiteranordnung entgegengesetzt mit der Spannungsquelle
verbunden ist, so daß eine positive Spannung an den ersten Übergang und eine Sperrspannung
an den zweiten Übergang gelegt ist, dann ändert sich das Energieniveau in einen
Zustand, wie er in Fig. 11C dargesbtlt ist. Im Ergebnis wird die Driftgeschwindigkeit
der Ladungsträger, die sich durch den zweiten Übergang bewegen, größer, mit der
Folge, daß der schwache Strom, der durch den zweiten Übergang fließt, steigt und
überwiegt.
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Das Phänomen in den Charakteristiken nach den Fig. 4 und 6 kann durch
vorgehende Diskussion verstanden werden. Es ist ebenso aus Fig. 11 verständlich,
daß die spektrale Gesamt-Empfindlichkeitscharakteristik, die zwischen den Anschlüssen
5 und 6 im Schaltbild der Fig. 2 gemessen wird, in Abhängigkeit von der wie im Schaltbild
nach Fig. 5 angelegten Vorspannung geändert werden kann innerhalb eines Bereiches,
der durch die Kurve der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik des ersten Überganges
(Kurve A in Fig. 4 und 6) und durch die Kurve der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik
des zweiten Überganges (Kurve C in Fig. 4 und 6) definiert ist. Es ist weiterhin
verständlich, daß die erforderliche Vorspannung für den zweiten Übergang geringer
sein kann als die Leerlaufspannung des zweiten Überganges. Der Grund dafür ist vermutlich,
daß eine Vorspannung solcher Größenordnung genügt, um den Driftstrom durch den Übergang
zu kontrollieren.
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Die Erfinder haben weiterhin Meßwerte Ve mit einem Voltmeter abhängig
von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes L
gemessen, indem
die Vorspannung E auf Null gestellt und der Ausgangsstrom I mittels eines Amperemeters
wie in Fig. 3 dargestellt gemessen wurde. Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der
Wellenlänge des einfallenden Lichtes und der Vorspannung. In der Darstellung entsprechen
die Kurven A und B den Charakteristiken in Fig. 4 und 6. Wie in Fig. 12 gezeigt
ist, wurde gefunden, daß die Spannungswerte Ve (Leerlaufspannung) in einer festen
Beziehung zur Wellenlänge des Lichtes stehen. Es ist inzwischen verständlich, daß
der genannte Spannungswert Ve äquivalent zum Wert der kontinuierlich angezeigten
Vorspannung E ist, der übereinstimmt mit der Schnittlinie der Kurven und der Achse
der Wellenlänge des Lichtes (Abzisse) in Fig. 4 und 6. Wie aus der-Darstellung der
Charakteristiken in Fig. 12 ersehen werden kann, kann die Wellenlänge des einfallenden
Lichtes gemessen werden, indem die Vorspannung E so eingestellt wird, daß der Differenzausgangsstrom
I an einer Halbleiteranordnung nach Fig. 1 Null wird und gleichzeitig die Vorspannungswerte
Ve abgelesen werden.
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Ebenso geschieht dies bei dem Stromkreis nach Fig. 7A. Dies ist leicht
verständlich durch die Ähnlichkeit der spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken
des Ausgangsstromes.
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Als Abänderung zu Fig. 5. wird eine Vorspannung um die Diode D 2
gelegt, um die Charakteristik nach Fig. 12 zu erhalten.
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Fig. 13 zeigt, daß diese Vorspannung durch einen verstellbaren Spannungsteiler
VR einstellbar ist, dessen Spannungsteilerverhältnis auf n1: n2-n1 eingestellt wird,
so daß der Wert Ve der Leerlaufspannung erhalten wird und daß bei n1 die Wellenlänge
des einfallenden Lichtes erhalten wird, und bei welchem n1 und n2 Kooffizienten
des Uberganges A bzw. B sind.
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Wie bereits oben detailliert ausgeführt, wird die Wellenlänge des
einfallenden Lichtes bei einem Spannungswert erhalten (Leerlaufspannung), wenn der
Differenzausgangsstrom Null ist.
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Fig. 14 ist ein schematisches Schaltbild des Farbidentifikators,
der dieses Phänomen nutzt. Fig. 14 zeigt, wie eine ersten Vorspannung an die frei
Dioden D 1 R, D 1 G und D 1 B gelegt ist.
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Diese ersten und die entsprechende zweite Fotodiode D 2, werden wie
oben erwähnt, unter Spannung gehalten. Auf diese Weise werden D 1 R, die diesen
Dioden /D1 G und D 1 B zugehörigen Charakteristiken erhalten.
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Fig. 15 ist eine Darstellung mit drei solchen spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken.
Wie in Fig. 15 gezeigt, sind die spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken der
Dioden D 1 R, D 1 G und D 1 B den Charakteristiken fRß fG und gleichgestellt, die
zu den ersten drei Farben gehören, rot R, grün G und blau B. Dabei können die Farbkomponenten
des einfallenden Lichtes im Arbeitskreis 19 (Fig. 14) festgestellt werden und an
den Ausgängen r, g und b, welche mit den ersten drei Farben rot, grün und blau korrespondieren,
können die Anteile der Farbkomponenten ausgegeben werden. Weiterhin können Farben
reproduziert werden, indem die Ausgangssignale der drei Ausgänge R, G und B kombiniert
werden.
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Fig. 16 zeigt ein schematisches Schaltbild einer anderen Anwendung
der Halbleiteranordnung gemäß vorliegender Erfindung. In Fig. 16 sind die Vorspannungen
E 1 bis E 6 an sechs Dioden mit ersten Übergängen D 1 bis D 4 und an eine Diode
mit entsprechendem zweiten Übergang DO gelegt und eingestellt. Der fotoelektrische
Strom jeder der Dioden D 1 bis D 6 wird entsprechend dem Lichteinfall der jeweiligen
Wellenlänge vom jeweiligen Amperemeter A 1 bis A 6 abgelesen, so daß Farben unbekannter
Wellenlänge des Lichtes identifiziert werden können.
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Das Ausführuntsbeispiel nach Fig. 16 erlaubt Farbidentifikation mit
hoher Genauigkeit mittels einer einzelnen-Halbleiteranordnung und ohne Verwendung
eines Farbfilters. Es können eine große Zahl von Lichtempfängern auf einem halbleitenden
Substrat integriert werden. Sie erlauben die Farbidentifikation in einem kleinen
Bereich. Der größte Teil der Farbidentifikatión kann durch die Halbleiteranordnung
selbst erfüllt werden, so daß der Identifikator kompakt und preisgünstig hergestellt
werden kann.
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Der erste Übergang A ist ein SnO2-SiO2-Si-Hetero-Übergang in der
Halbleiteranordnung; aber es kann auch ein SnO2-Si oder eine Hetero-Übergangs-Struktur
sein. -Er kann ferner sein: einePN-Übergangsstruktur, die eine P-leitende Schicht
aufweist, die durch Diffussion, epitaktisches Aufwachsen oder in ähnlicher Weise
auf der N-ledtenden Schicht entstanden ist, oder durch Anbringen einer Kanalzone
in einer SiO2-Si-Struktur.