DE2439827A1 - Halbleiterbauelement zur lichtsummenmessung - Google Patents

Halbleiterbauelement zur lichtsummenmessung

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DE2439827A1 DE19742439827 DE2439827A DE2439827A1 DE 2439827 A1 DE2439827 A1 DE 2439827A1 DE 19742439827 DE19742439827 DE 19742439827 DE 2439827 A DE2439827 A DE 2439827A DE 2439827 A1 DE2439827 A1 DE 2439827A1
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Description

Halbleiterbauelement zur Lichtaummenniessung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zur Erzeugung photoelektriacher Signale unter Ausnutzung haftender Raumladung, wo-iit eine Integrationswirkung ia 3inne einer Licht8Ui,i«.ien:ies3ung erzielt wird.
Photosensoren auf Halbleiterbasis sind seit langem bekannt· Ihr Punktionsprinzip besteht bei Fhotowiderständen darin, daß Strahlung des Grundgitter- oder Auslaufer-Absorptionsgebiets eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte bewirkt, wobei teilweise unter Litwirkung von Haftstellen besonders hohe Empfindlichkeiten durch Vergrößerung der Ladungsträger-Lebensdauer erreicht werden· Bei Sperrschichtzellen, Photo dioden und Phototraneistoren dagegen findet eine Trennung von Elektronen und Löchern 1<α Rauinladungegebiet von p-n-Ubergängen statt. In beiden Fällen wird das photoelektrische Signal, abgesehen von eine.a in relativ kurzen Zeiten ablau fenden Einatellprozeß, Ln wesentlichen durch die momentan auffallende Strahlungsintensität bestimmt. In neuerer Zeit wird auch die zeitliche Integration absorbierten Lichte durch Entladung einer in Sperr!chtung aufgeladenen Randschichtkapazität von vorzugsweise Si-Planar-Dioden genutet, wobei rasterför.aige Anordnungen z.B. beim Si-Dioden-Vidioon auch für Pernsehaufnahmezwecke Verwendung finden.
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Diese herkömmlichen lichtelektrischen Empfänger besitzen den Nachteil, daß die zu messenden elektrischen Signale bei kleinen auffallenden Lichtintensitäten so klein werden, daß Registrierung und Verarbeitung mit großen Schwierigkeiten verbunden sind. Zur Messung sehr kleiner Lichtintensitäten benutet man daher auch heute noch die Integrationswirkung der photographischen Verfahren, wobei jedoch der üntwicklungsprozeß eine Zeitverzögerung ergibt, die beispielsweise eine kontinuierliche Registrierung ausschließt. In eine.i gewissen Bereich von Lichtintensitäten können sogenannte hochempfindliche lichtelektrische Empfänger benutzt werden wie speziell dotierte H-VI-Verbindungen, bei denen aber in der Regel der Gebrauchswert durch komplizierte 3eleuchtungs-3ignal-Charakteristiken, Instabilitäten, iiruüdungserscheinungen a.ä. eingeschränkt wird.
Zur Erzeugung photoelektrischer Signale mit hoher Empfindlichkeit sind auch Fernsehaufnahaeröhren, wie Vidicon, Superorthicon usw·, bekannt· Bei diesen Röhren ist es innerhalb gewisser Grenzen möglich, die Empfindlichkeit den Beleuphtungsverhältnissen anzupassen. Als Nachteile treten die 3ruchgefahr des Glaskolbens, der evakuiert v/erden ..luß, and die zur Erzeugung des abtastenden 31ektronenstrahles notwendige Kathode auf, wodurch die Röhre nur eine relativ kurze Lebenada er von einigen tausend Betriebaatunden aufweist.
Zweck der Erfindung ist es, kleine Strahlungsinteusitäten nachzuweisen, bei hoher Empfindlichkeit einen quasikontinuierlicben Ueßvorgang und einen einfachen Zusa iienhang zwischen Signalgröße und der Über eine vorgebbare Zeit integrierten Strahlungsintensität zu erreichen und das Halbleiterbauelement so eu gestalten, daß bei einer ra3terföxv;i^en anordnung vieler derartiger Halbleiterbauelemente die Erzeugung ▼on Fernsehbildsignal·!! Bbglioh 1st·
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ORIGINAL INSPECTED
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zur Erzeugung photoelektriacher Signale unter Ausnutzung von in Störtermen haftenden Rauialadungen zu schaffen, wobei durch die V/iederholungsfrequenz des Irapulsbetriebes die Integrationszeit vorgebbar ist und eine wesentlich höhere, innerhalb relativ weiter Grenzen wählbare Empfindlichkeit erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Stück Halbleitermaterial gelöst, das so dotiert ist, daß .die Störstellen eine thermische Entleex*ungszeit für eine Ladungsträgersorte bei der gewünschten Arbeitstemperatur haben, die größer als die oder vergleichbar mit der gewünschten Integrationszeit ist, und auf dem mindestens ein für die in die Störstellen einzufangenden Ladungsträger injizierender Kontakt angebracht ist. Der Abstand EU einem zweiten Kontakt ist außerdem so gewählt, daß bei der gewünschten Betriebsspannung (ImpulSamplitude) die Driftzeit dieser Ladungsträger zwischen den -Kontakten kleiner als die oder vergleichbar mit der dielektrischen Relaxationazeit und der Einfangzeit für die Ladungsträger in jene Störstellen ist. Wird an die Kontakte eines derartigen Halbleiterbauelements eine ein- oder lnehrfachperiodische Folge elektrischer Impulse - vorzugsweise kleinen Tastverhältnisses, aber vorzugsweise mit einer Impulsbreite, die mit der iäinfangzeit der Störstellen für besagte Ladungsträger von gleicher Größenordnung ist - gelegt, so ist die Änderung des während eines Impulses auftretenden Maximalleitwerts gegenüber de.n Dunkelzustand ein einfaches Uaß für die in der Zelt zwischen diesea und de.a seitlich vorherigen Impuls im Halbleiterbauelement absorbierte Fhotenenzahl· Anstelle des l.Iaxinalleitwerts wird, falle die elektrischen Lipulse SpannurigsLapulse sind, der Maxlmalstrom durch das Halbleiterbauelement, falls die 1.1- pulee Stromimpulse sind, die Mininalspannung n.i Halbleiterbauelement geuessen, registriert oder verarbeitet.
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- 4 Der dabei auftretende physikalische Vorgang ist der folgende:
Bei der Majoritätsträgar-Injektlon in Halbleiter ;ait Haftetellen werden Llajoritätsträger in diesen Haftstellen eingefangen· Während dieses Vorganges verringert sich die Leitfähigkeit der Probe, so daß bei einem angelegten Spannungsimpuls der Stromfluß durch die Probe während der Impulsdauer abnimmt, bei einem angelegten Stromimpuls die Spannung über der Probe sich erhöht. Die getrapten Ladungsträger verlassen die Haftstellen entweder themisch oder durch Rekombination mit Aiinoritätsträgern, die entweder thermisch vorhanden sind oder durch inneren lichtelektrischea Effekt im Halbleiter oder aus angrenzenden Stoffen, v/ie Kontaktmaterialien usw., erzeugt werden oder auch duroh direkte Absorption eines Photons durch den getrapten Ladungsträger· Ist die thermische Sntleerungseeit der getrapteη Ladungsträger größer als die reziproke Frequenz der Impulsfolge oder damit vergleichbar, ao wird der Maximalwert von Strom oder der MinL.ialwert der Spannung während der Impulsdauer gesetzmäßig von der Zahl der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulse optisch befreiten Ladungsträger abhängen. In dieser './eise gibt also der Maximalwert der Impulsleitfähigkeit ein Maß flir die ia Halbleiter absorbierten Photonen, d.h. nach lüichuug eine Meßgröße für die offallende Strahlungsintensität.
Die für die Injektion verv/endeten Ladungsträger nüssen nicht unbedingt Majoritätsträger sein, sondern es können auch raumladungsbegrenzte Minoritätsträgerinjektionen für die oben beschriebenen Vorgänge genutzt werden. Diese Injektionen werden ähnlich wie bei Majoritätsträgerinjektion wirksam, wenn die Laufzeit der Ladungsträger klein gegen die Relaxationszeit wird· Durch solche I.Iinoritätstränerin-Jektionen können besonders gut große Jpeicherzeiten bei vorgegebener Arbeiteimperatur realisiert werden.
Die spektrale Enpfindlichkeitsverteilunn hängt vo ι Talbleitsrroateriil, von der Art der eingebauten Jtüratelleu and de ι
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angrenzenden, insbesondere deui Blektrodenmaterial ab. FUr ' ein vorgegebenes Halbleiterbauelement geioäß dieser Erfindung kann der Meßbereich der Anordnung durch Impuls-Folg·- frequenz und Temperatur des Halbleiters gewählt werden. Der Meßbereich des vorgegebenen Halbleiterbauelement« kann bei vorgegebener Teuperatur und Folgefrequenz durch einen oder mehrere innerhalb der Periode eingeblendete Impulse nach oben erweitert werden, die beim Meßvorgang nicht erfaßt werden (Verkürzung der Integrationszeit)·
Die'lichtelektrische Empfindlichkeit wird bei vorgegebener Arbeitstemperatur und Integrationszeit und nach V/ahl des Halbleitenaaterials und der Störstellensorte von den Störstellenkonzentrationen, der geometrischen Ausbildung und der V/ahl der Kontaktaaterialien bestLniit· Sie kann von Fachmann den Beleuchtungsverhältnissen und anderen Gegebenheiten des praktischen Einsatzes optimal angepaßt werden·
Gegenüber der oben erwähnten Integrationswirkung einer Dioden-Sperrschicht, bei der beL.i Abfragen in einen Stromimpuls maximal für jedes während der Integrationszeit absorbierte Lichtquant eine Elenentarladung transportiert wird, kann bei.j erflndungsgeuäßen Bauelement diese transportierte Ladangeuenge pro absorbiertes Lichtquant groß gegen 1 Ulejjentarladung - typisch einige 100 iälementarladungen - sein.
Aue der Beschreibung des physikalischen Vorgangs sind folgende Anpaseungs.iöglichkeiten eines erfindungsge-iäßen Halbleiterbauelements an die praktischen JSinsatzbedinguncen abzuleiten·
Die Störterme zur Aufnahuo injizierter !!aufladung v/erden · durch Ltehrfachdotierung, die nicht notwendigerweise :.iit mehreren Dlffusioneprozeesen gekoppelt zu sein braucht, erseugt« Dl« phyaikaliaoh unterachiedliohen Störteraaorten wirken dabei nicht notwendigerweise alle als die für den
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physikalischen Prozeßablauf erforderlichen Haftterme, sondern dienen z.B. zur Einstellung einer geeigneten Konzentration der wirksamen Haftterue, indem sie die Lage des Fernii-Niveaus bsw· der Quaeifenui-lliveaus beeinflussen.
Se tat auoh möglich, die Haftstellen durch Strahlungswirkung (Strahlungedefekte) oder durch Ionenluplatationen zu erzeugen.
Dia Kontakte, insbesondere der injizierende Kontakt, brauchen nicht unbedingt Metall-Halbleiterkontakte zu sein. Injektionskontakte für Majoritätsträger können z.B. in einfacher './eise auoh durch atarke Anreicherungs-Dotierungs-Randschichten im Slnna eine β n*"-n- oder p+-p-Ubergangs hergestellt v/erden, wobei in dar Regel die n+- oder p+-Konzentration im Sntartungsgebiet gewMhlt wird. Derartige Kontakte haben z.B. den Vorteil, opt lach tranaparent eu sein. Darüber hinaus kann die Gesarat-•ffaktiv!tut erhöht werden, indem ein nicht zu durchstrahlender Kontakt eur Produktion von Minoritätsträgern ία Halbleitermaterial auegenutzt wird z.B. in Por.i eines geeigneten Halblelter-Uetallkontakts oder Hetero-Ubergangs. Auch eine elektrisch nicht In den Ueßkreis einbezogene Kontaktfläche kann In dar gleichen Weise als Quelle von lichtelektrisch auafelttaten ladungaträgern benutzt werden. Die Kontakte können aber auoh durch Ionenimplantationen hergestellt werden.
Werden aehrere dar besagten Halbleiterbauelemente linear •dar zweidimensional angeordnet, eo ist eine Venaessung lokalar LiahtsuaPMnvertellungen und bei geeigneter elektrischer Ansteuerung eine Parallel-Oerien-Uiasetzunc dieser Infor.iation «Oflleh· Ordnet nan z.B. viele derartige Halbleiterbauelements aatrlxfuzaig an und beaufschlagt sie zeitlich nacheinander la festgelegter Sequenz, aber jedes einzelne nit der gleichen Wlsdsrholungsfrsquens mit elektrischen Impulsen, so ist es ■8flloh, Brtliohe Intensltätsverteilungen - Bilder - in ein ssltliobas Nacheinander von Strom- und Jpannungsinpulsen zu
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kodieren. Die matrixformige Anordnung derartiger Halbleiterbauelemente kann ale ein Bildaufnahmeleuent z.B. für FernsehUbertragungen angesprochen werden· Die Bildfrequenz ist in diesem Falle als gewünschte Integrationseeit für das einzelne Halbleiterbauelement zu betrachten·
Bei ein- oder zweidimensionaler Anordnung können die erfindungageraäßen Halbleiterelemente z.B. so geschaltet sein, daß der nicht injizierende Kontakt (Gegenkontakt) Teil eines Iadungegekoppelten Schieberegisters ist·
Bin Oberspreohen in Form ungewollter Übertragung von elektrischen Impulsen auf Naohbareleinente bei dichter Anordnung mehrerer Elemente wird dadurch vermieden, daß die einzelnen Elemente mit Zonen hoher Dotierung oder ungeordnoter Struktur umgeben sind.
Die Erfindung soll nachstehend an einem AusfUhrungebeispiel näher beschrieben werden· In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: Den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements·
Fig· 21 Das spezielle Bändennodell für einen alt Gold dotierten n-Silizittakristall mit einem für Elektronen injizierendem Kontakt·
Das lichtempfindliche Bauelement besteht aus einer n-Si-Scheibe 1 mit einer Dicke von einigen 100 /um und einem spezifischen Widerstand von etwa 500 Ohracra. Durch Eindiffusion eines tiefen Akzeptors z.B. Gold mit einer Konzentration N., die größer als die Donatorkonzentration Νβ des Ausgangema te rials ist, wird die Grundleitfähigkeit des Kristalls kompensiert und es liegen etwa 1ίΑ-1Ιβ«Η unbesetzte Ak ze ρ torte rme im Kristallvolumen vor,siehe Fig· 2. Wegen der tiefen energetischen Lage von etwa 0,5 eV erfolgt diese Kompensation schon bei Zimmertemperatur. Zur Herstellung des Anreicheruneskontakts wird ein flacher Donator z.3. Phosphor . lit einer hohen Konzentration ( %» 10 cm J) oberflächlich eindiffundiert.
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Als Gegenkontakt kann ein ähnlicher für Löcher sperrender Kontakt oder auch, wie in Pig· 1 dargestellt, ein (kapazitiver) Kontakt 3 über einer dünnen Isolatorschicht 4 Verwendung finden. Durch Anlegen eines negativen üpannungeimpulses werden Elektronen in das Kristallvoluiaen injiziert, wobei nach einer Zeit von etwa 1 /usec die injizierten Ladungen fast vollständig als in den Akzeptortenaen haftende Ladungen im Volumen vorliegen. Bei opannungswerten von 50 bis 100 V liegen die injizierten Trägerdichten η bei einigen 10 cm" · !lach Abschalten der Spannung erfolgt oinJbbau der Raumladung innerhalb der Speicherzeit, die im vorliegenden Fall durch t_«*»(n/Hn) ΛΓ. gegeben ist und bei sehr hoher Injektion (η^Ν~) maximal den Vfert 1»e, die thermische sionszeit des Akzeptorter..is, erreicht. Innerhalb der 3peicherzeit, die ia angeführten Beispiel bei Zi .uertemperatur bei etwa 500 /US liegt, kann die haftende lau lladmif; durch Grundgitterlicht oder auch durch direkte Absorption in den Störatellenniveaus abgebaut werden, './as sich bei einer folgenden Irapulsstro,iimessui?g in einer Erhöhung gegenüber deu Dunkelwert ausdrückt.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche ι
    Jkyiialbleiterbauele.ient zur Lichtsummenmessung, dadurch gekennzeichnet, da3 ein tiefe Haftateilen für Elektronen bzw. Löcher enthaltende· StUcIc Halbleitermaterial mit mindesten· swei elektriaohen Kontakten vor«eheη ist, τοη denen mindestens einer imstande ist« Elektronen bzw. Löcher in besagtes Halbleitermaterial zur Füllung der tiefen Haftstellen zu injizieren und mindestens ein Kontakt* ein sog· Gegenkontakt, keine Löcher bzw. Elektronen injiziert, wenn ein elektrischer Impuls an die Kontakte gelegt wird, daß die Kontakte geometrisch so angeordnet sind, daß die Driftzeit der Elektronen bzw. Löcher bei Anliegen des besagten elektrischen Impulses kleiner als die dielektrische Relaxationszeit des Halbleiterr.iaterials ist, dnß die thermische lint Ie e rungs ze it der Haftstellen bei der Arbeitstemperatur größer als die gewünschte Integrationszeit ist, daß das Halbleitermaterial und die Kontakte so dimensioniert und geometrisch angeordnet sind, daß durch optische Absorption freigesetzte Löcher bzw. Elektronen die injizierten Elektronen bzw. Löcher in den Haftstellen durch Diffusion oder Drift erreichen oder die optische Absorption direkt durch die Haftstellen erfolgt.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß besagtes Halbleitermaterial Si ist.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte tiefe Haftstellen durch Dotierung mit Schweraeteilen vorzugsweise Au oder Ag gebildet sind.
    4· Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch r^ekenntelohnet, daß besagte Haftstellen durch Ioneiii.iplentatipn hergestellt sind.
    5· Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennteIchnet, daß besagte tiefe Ilaftstellen durch Strnh-
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    lungawirkung (Strahlendefekte) erseugt sind·
    6· Halbleiterbauelement naoh Anapruoh 1 bis 5, dadurch gffcfypifjLflhjj^, daß die Konsentration besagter Haftatallen ao gewühlt latt daß der Lichtem—anintflbereloh dadurch naoh oben begrenst wird und/oder besagte elaktriaohe Impulse so gewlhlt «erden, daß praktisch alle besagten Haftatellen gefüllt werden, während im thermischen Gleichgewicht nur wenige Haftetallen besetet sind.
    7· Haltleiterbauelement naoh Anspruch 1 bis 6, dadurch gf v fflfl-SfJjhjgJ^, daß einer oder mehrere der besagten Kontakte durch Ionenimplantation hergestellt sind.
    8· Halbleiterbauelement naoh Anspruch 1 bis 7, daduroh gfIffBB~ UAfl)bli£· &Λ& ·■ Element einer linearen oder sweldimenslonalen Anordnung gesagter Bauelemente iet, ao daß eine Vermessung lokaler Llohtsunuaenrerteilungen und bei geeigneter elektrischer Ansteuerung eine Parallel-Serien-Umsetzung dieser Information möglich ist.
    9· ZweidiiMnaionale Anordnung besagter Halbleiterbauelemente naoh Anspruch Q9 dadurchcejcenn&eichnet, daß die Integra— tlonsseit größer ist als die reziproke Bildfrequenz einer fernsehkamera, in der diese Anordnung Verwendung findet.
    10· Anordnung besagter Halbleiterbauelemente nach Anspruch 8 oder 9, dlflUTfih fjf ftf flpse lohnet, daß der sog. Gegenkontakt der einseinen Elemente Teil eines ladungsgekoppelten Schieberegisters ist.
    11· Anordnung besagter Halbleiterbauelemente nach Anspitich 8 bis 10, daduroh gekenntelohnet, daß ein Übersprechen in< For« ungewollter übertragung von elektrischen Impulsen auf Haohbarelemente dadurch vermieden wird, daß besagtes Halbleiterbauelement mit Zonen hoher Dotierung oder ungeordneter Struktur umgeben ist.
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    ORIGINAL [WSPECTED
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