DE2447289A1 - Photozelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Photozellen, die wenigstens für ultraviolette
Strahlung und^oder für blaues Licht empfindlich sind.
Die Photozellen sollen die auftreffende Strahlungsenergie in
elektrische Energie umwandeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photozelle zu schaffen, die eine höhere Empfindlichkeit für ultraviolette
Strahlung und/oder für Strahlung im blauen Teil des sichtbaren Spektrums hat als dies bisher der Fall war.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine solche Photozelle einen Halbleiterkörper mit einer dünnen epitaxialen Schicht mit N-Leitfähigkeit
auf einem Träger mit P-Leitfähigkeit, wobei die im wesentlichen gleichmäßige Dike der epitaxialen Schicht im Bereich von
etwa 0,1 bis 1,0 mittleren Diffusionslängen der Minoritäts-Ladungs-
Lh/fi - 2 -
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Träger in der Schicht liegt, wobei die Strahlung, auf die die Zelle
anspricht, auf die Oberfläche der epitaxialen Schicht entfernt vom
Träger einfällt "und ein strahlungsempfindlicher PN-Übergang zwischen
der epitaxialen Schicht und dem Träger vorgesehen ist, und ohmische Kontakte an dem Träger und der epitaxialen Schicht angebracht sind.
Im normalen Betrieb der Photozelle ist es wesentlich, daß von den Ladungsträgern, die durch Photonen der Ultraviolett-Strahlung
und/oder der Lichtstrahlung im blauen Spektrum vorwiegend in der dünnen epitaxialen Schicht erzeugt werden, daß davon eine beachtliche
Anzahl von nicht-wiedervereinigten Minoritäts-Ladungsträgern den strahlungsempfindlichen PN-Übergang erreicht, wodurch ein
elektrischer Strom als Folge dieser Photonen erzeugt wird. Je höher der Widerstandswert der epitaxialen Schicht ist, umso länger
ist die mittlere Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger in der epitaxialen Schicht. Photonen einer roten Lichtstrahlung
erzeugen Ladungsträger vorwiegend im Substrat, weshalb eine Photozelle
nach der Erfindung mit einer erhöhten Empfindlichkeit für ultraviolette Strahlung und/oder für blaue Lichtstrahlung sich
von einer solchen unterscheidet, die eine erhöhte Empfindlichkeit für rotes Licht hat,.insbesondere weil die epitaxiale Schicht
auf dem Halbleiterkörper, auf die die Strahlung einfällt, einen höheren spezifischen Widerstand hat. Halbleitermaterial mit
P-Leitfähigkeit mit hohem spezifischen Widerstand hat eine Neigung, sich unbeabsichtigt in N-Leitfähigkeit umzuwandeln, wenn
es mit einer Oxidschicht überzogen wird, wobei eine solche Oxidschicht gewöhnlich vorhanden ist, entweder zufällig oder zu Passivierungszwecken.
Bei einer Photozelle nach der Erfindung hat daher die epitaxiale Schicht auf dem Halbleiterkörper, auf die die
Strahlung auffällt, N-Leitfähigkeit und einen hohen spezifischen Widerstand. Während es möglich ist, in einen Oberflächenbereich
des Halbleiterkörpers geeigneter Dicke eine Verunreinigung mit N-Leitfähigkeit einzudiffundieren, ist es nicht einfach, auf diese
Weise einen diffundierten Oberflächenbereich mit einem geeignet
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hohen Widerstand für die epitaxiale Schicht zu erzeugen, mit der gewünschten gleichmäßigen Dicke im Bereich von 0,1 bis 1,0 mittleren
Diffusionslängen der darin befindlichen Minoritäts-Ladungsträgern
für eine Photozelle mit einer hohen Empfindlichkeit für ultraviolette
Strahlung und/oder für blaue Lichtstrahlung. Nach der Erfindung wird daher auf einem geeigneten Substrat eine epitaxiale Schicht
geeigneter Dicke und dem gewünschten Widerstand niedergeschlagen.
Die epitaxiale Schicht mit N-Leitfähigkeit kann im wesentlichen
eine gleichförmige Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Mikron haben, wobei die bevorzugte Dicke bei 1 Mikron liegt und der
Widerstand kann im Bereich von 0,1 bis 10,0 Ohm-cm liegen und er beträgt vorzugsweise etwa 2,0 0hm-cm.
Wenn es erforderlich ist, daß die Photozelle eine hohe Empfindlichkeit
für rotes Licht hat, so hat das Substrat mit P-Leitfähigkeit einen niedrigen Widerstand,' nämlich weniger als 0,1 0hm-cm, vorzugsweise
etwa 0,01 0hm-cm.
Wenn die Photozelle jedoch zusätzlich zu einer hohen Empfindlichkeit
für ultraviolette Strahlung und/oder für Blaulichtstrahlung eine hohe Empfindlichkeit für rotes Licht haben soll, so hat das Substrat
mit P-Leitfähigkeit einen genügend hohen Widerstand damit Majoritäts-Ladungsträger
eine beträchtliche mittlere Diffusionslänge in dem Substrat haben, und der Widerstand des letzteren liegt über 1,0 0hm-cm
und vorzugsweise bei 10,0 0hm-cm.
Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung erläutert, in der
it Fig. 1 im Schnitt eine erfindungsgemäße Photozelle zeigt, die für
eine Strahlung im roten Teil des sichtbaren Spektrums keine hohe Empfindlichkeit hat.
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Fig. 2 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Photozelle, die eine Sonnenzelle aufweist mit einer hohen Empfindlichkeit für Strahlung in den
blauen und roten Bereichen des sichtbaren Spektrums. Der Schnitt von Fig. 2 verläuft längs der Linie II-II
von Fig. 3.
Fig. 3 zeigt in Draufsicht die Sonnenzelle, auf die die Strahlung auftrifft.
Die in Fig. 1 gezeigte Photozelle ist in einem Silicium-Halbleiterkörper
ausgebildet mit einer dünnen epitaxialen Schicht 10 mit hohem Widerstand und N-Leitfähigkeit mit praktisch gleichmäßiger
Dicke, die auf einem hochleitfähigem Substrat 11 mit P-Leitfähigkeit
angeordnet ist. Die Strahlung, für die die Photozelle empfindlich sein soll, fällt auf die freie Oberfläche 12 der epitaxialen
Schicht 10 und es ist zwischen der epitaxialen Schicht 10 mit N-Leitfähigkeit und dem Substrat mit P-Leitfähigkeit ein strahlungsempfindlicher
PN-Übergang 13 vorgesehen.
Im Betrieb wird gefordert, daß die Photozelle im wesentlichen keinen Stromverlust hat, wenn keine Strahlung, für die die Photozelle
empfindlich ist, auftrifft, wobei jedoch der Leistungsausgang der Vorrichtung nicht hoch zu sein braucht, da er anderweitig
verstärkt wird. Auf der anderen freien Oberfläche 15 des Substrates 11 ist eine Kontaktschicht 14 aus Aluminium aufgebracht
und eine weitere Kontaktschicht 16 aus Aluminium ist auf einem kleineren Teil der Oberfläche 12 der epitaxialen Schicht
10 niedergeschlagen. Am Substrat 11 ist ein ohmischer Kontakt vorgesehen, ferner ist ein ohmischer Kontakt an der epitaxialen
Schicht 10 ausgebildet und zwar mittels eines stark dotierten Kontaktbereiches 17 mit N-Leitfähigkeit, der in der epitaxialen
Schicht und angrenzend an die Oberfläche 12 vor dem Niederschlagen der Aluminiumschicht 16 selektiv ausgebildet worden ist.
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Ferner ist die Photozelle innerhalb des Halbleiterkörpers isoliert
mittels einer stark dotierten Trennschicht 18 mit P-Leitfähigkeit, die sich durch die epitaxiale Schicht 10 und in Kontakt mit dem
Substrat 11 erstreckt. Die Trennschicht wird durch eine selektive Diffusion erzeugt ehe die Aluminiumschichten 14 und 16 aufgebracht
werden. Der wirksame Teil der strahlungsempfindlichen PN-Übergangsschicht 13 ist durch die Trennschicht 18 begrenzt.
Der strahlungsempfindliche PN-Übergang kann umgekehrt vorgespannt
sein und eine Vorspann-Potentialdifferenz von bis zu 10 Volt
kann mittels einer nicht gezeigten elektrischen Energiequelle an den PN-Übergang angelegt werden. Die Grenze der Sperrschicht,
die dem PN-Übergang 13 zugeordnet ist, wenn dieser umgekehrt vorgespannt wird, ist durch eine unterbrochene Linie 19 angezeigt.
Bei dem vorbeschriebenen Aufbau der Photozelle und unabhängig ob der PN-Übergang 13 umgekehrt vorgespannt ist oder nicht, ist
die Sperrschicht (depletion layer) so nahe wie möglich an der Oberfläche 12 der epitaxialen Schicht und sie liegt in einem
Bereich des Halbleiterkörpers, in welchem die Wiedervereinigungs-Rate der Ladungsträger klein ist. Deshalb erreicht eine beträchtliche
Anzahl von Minoritäts-Ladungsträgern in der epitaxialen Schicht den PN-Übergang, weil die epitaxiale Schicht sowohl dünn
ist als auch einen hohen Widerstand besitzt. Die Photozelle ist daher empfindlich für eine schwach eindringende Strahlung im
blauen Teil des sichtbaren Spektrums. Weil die epitaxiale Schicht dünn ist und weil das Substrat stark dotiert ist, hat die Photozelle
jedoch keine hohe Empfindlichkeit für eine Strahlung im roten Bereich des sichtbaren Spektrums. Eine solche Strahlung
dringt bis in das .stark dotierte Substrat ein, wo die Ladungsträger,
die hierdurch erzeugt werden, mit einer hohen Geschwindigkeit bzw. in einer hohen Rate sich wieder vereinigen (recombine).
Die erforderliche dünne Oberflächenschicht mit dem gewünschten
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hohen Widerstandswert kann durch epitaxialen Niederschlag erzeugt werden.
Wenn das P-Substrat mit Bor dotiert ist, so werden durch eine Erwärmung
des Halbleiterkörpers während der Herstellung die Verunreinigungen dazu gebracht, in die epitaxiale Schicht hineinzudiffundieren,
wodurch die effektive Dicke der epitaxialen Schicht reduziert wird, weshalb das Substrat vorzugsweise mit Bor dotiert
wird.
Vorzugsweise hat eine erfindungsgemäße Photozelle, die keine hohe Empfindlichkeit für rotes Licht hat, eine epitaxiale Schicht mit
einer gleichmäßigen Dicke von etwa 1 Mikron. Die epitaxiale Schicht mit N-Leitfähigkeit hat den hohen Widerstand von etwa
2 Ohm-cm und das P-Substrat hat den niedrigen Widerstand von etwa 0,01 Ohm-cm. Die Dicke der epitaxialen Schicht liegt zweckmäßigerweise
im Bereich von 0,1 bis 1,0 mittleren Diffusionslängen der in ihr vorhandenen Minoritäts-Ladungsträgern, d.h. die Dicke kann
im Bereich von 0,1 bis 10 Mikron liegen und der Widerstand der epitaxialen Schicht kann größer als 1,0 Ohm-cm sein. Der Widerstand
des Substrates kann kleiner als 0,1 Ohm-cm sein.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photozelle,
die eine hohe Empfindlichkeit für eine Strahlung sowohl im blauen als auch im roten Teil des sichtbaren Spektrums hat, ist in den
Figuren 2 und 3 dargestellt. Teile der Ausführungsform nach den
Figuren 2 und 3, die identisch oder ähnlich mit entsprechenden Teilen nach Fig. 1 sind haben dieselben Bezugszeichen.
Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Halbleiterkörper, in welchem die Photozelle ausgebildet ist, wobei das Halbleiterplättchen
angeritzt ist und der strahlungsempfindliche PN-Übergang erstreckt sich durch den gesamten Halbleiterkörper. Der Stromverlust
(current leakage) der Photozelle ist beachtlich, wenn die ein-
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fallende Strahlungsintensität Null ist. Eine solche Photozelle
eignet sich aber für eine Sonnenzelle wenn kein beträchtlicher Leistungsabfall innerhalb der Vorrichtung infolge des Innenwiderstandes
vorhanden ist.
Die Photozelle nach den Figuren 2 und 3 ist eine Solarzelle und
unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß das Substrat 20 mit P-Leitfähigkeit einen hohen Widerstand hat und
daß eine für Sonnenzellen übliche Kontakteinrichtung auf der Oberfläche 12 der epitaxialen Schicht 10 vorgesehen ist. Der Aluminiumkontakt
nach Fig. 3 besteht aus einer Vielzahl von parallelen schmalen Fingern 21, die sich im wesentlichen über die gesamte
Breite der epitaxialen Schicht 10 von einem gemeinsamen Kontakt-, stück 22 aus erstrecken. Jeder Finger 21 verjüngt sich und der
gemeinsame Kontakt 22 bildet nur einen schmalen Teil der Oberfläche 12. Unter der Aluminiumschicht 21, 22 ist ein stark
dotierter Kontaktbereich 2 3 vorgesehen, wie Fig. 2 zeigt. Der Kontaktbereich 2 3 hat in Draufsicht im wesentlichen die Form der
Aluminiumschicht.
Im Betrieb der Sonnenzelle nach den Figuren 2 und 3 spricht diese auf blaues Licht an aufgrund der Minoritäts-Ladungsträger, die in
der epitaxialen Schicht erzeugt werden und sie spricht auf rotes Licht an aufgrund von Majoritäts-Ladungsträgern, die in dem Substrat
erzeugt werden, wobei sowohl in der epitaxialen Schicht wie auch in dem Substrat die Wiedervereinigungs-Rate der Ladungsträger nur
klein ist. Die Grenzen der Verarmungsschicht oder Sperrschicht (depletion layer), die neben dem strahlungsempfindlichen PN-Übergang
13 liegt, ist durch unterbrochene Linien 24 dargestellt, die in der epitaxialen Schicht 10 und im Substrat 20 verlaufen.
Der Widerstand des P-Substrates 20 kann größer als 1,0 0hm-cm und
vorzugsweise 10 Ohm-cm sein.
Der bevorzugte Widerstand und die Dicke der epitaxialen Schicht
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der Sonnnenzelle nach den Figuren 2 und 3 kann von den entsprechenden
bevorzugten Werten der Photozelle nach Fig. 1 differieren, obwohl diese Werte innerhalb der oben genannten Bereiche liegen.
Die dargestellten und beschriebenen Photozellen können anstatt
oder zusätzlich zu ihrer Empfindlichkeit für blaues Licht auch für eine ultraviolette Strahlung empfindlich sein.
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Claims (7)
1./ Photozelle mit einer hohen Empfindlichkeit wenigstens für
-""" ultraviolette Strählung und/oder für Lichtstrahlung im
blauen Spektrumbereich, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper mit einem Substrat (11, 20) mit
P-Leitfähigkeit und einer dünnen epitaxialen Schicht (10) mit N-Leitfähigkeit, wobei die Dicke der epitaxialen
Schicht im Bereich von etwa 0,1 bis 1,0 mittleren Diffusionslängen der in ihr vorhandenen Minoritäts-Ladungsträgern
liegt und die Strahlung, für die die Zelle empfindlich ist, auf die Oberfläche der epitaxialen Schicht entfernt von
dem Substrat auftrifft, ferner durch einen strahlungsempfindlichen PN-Übergang (13) zwischen der epitaxialen
Schicht (10) und dem Substrat (11, 20) und durch ohmische Kontakte für das Substrat und die epitaxiale Schicht.
2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaxiale Schicht (10) eine im wesentlichen
gleichmäßige Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 10,0 Mikron und einen Widerstand im Bereich von etwa 0,1 bis 10,0 Ohm-cm
vorzugsweise etwa 2,0 Ohm-cm hat.
3. Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das. Substrat (11) einen Widerstand von
weniger als 0,1 Ohm-cm vorzugsweise etwa 0,01 0hm-cm hat.
4. Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (20) einen Widerstand
von wenigstens 1,0 0hm-cm vorzugsweise etwa 10,0 Ohm-cm
hat.
5. Photozelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
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gekennzeichnet , daß eine Trennschicht (18) mit P-Leitfähigkeit sich durch die epitaxiale Schicht
(10) hindurch und in Verbindung mit dem Substrat (11) erstreckt und daß der wirksame Teil des strahlungsempfind-*
liehen PN-Uberganges (13) durch die Trennschicht (18) begrenzt
ist.
6. Photozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich der strahlungsempfindliche
PN-Übergang (13) durch den gesamten Halbleiterkörper hindurch erstreckt.
7. Photozelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat mit Bor
dotiert ist.
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB4899773A GB1447410A (en) | 1973-10-20 | 1973-10-20 | Photocells |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2447289A1 true DE2447289A1 (de) | 1975-04-24 |
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ID=10450748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19742447289 Pending DE2447289A1 (de) | 1973-10-20 | 1974-10-03 | Photozelle |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2447289A1 (de) |
| GB (1) | GB1447410A (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2835136A1 (de) * | 1978-08-10 | 1980-02-14 | Fraunhofer Ges Forschung | Solarelement sowie verfahren und vorrichtung zur herstellung desselben mittels ionenimplantation |
| US5041392A (en) * | 1984-10-18 | 1991-08-20 | Matsushita Electronics Corporation | Method for making solid state image sensing device |
| DE4217428A1 (de) * | 1991-12-09 | 1993-06-17 | Deutsche Aerospace | Hochleistungs-solarzellenstruktur |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
| US4322571A (en) * | 1980-07-17 | 1982-03-30 | The Boeing Company | Solar cells and methods for manufacture thereof |
| US4367368A (en) * | 1981-05-15 | 1983-01-04 | University Patents Inc. | Solar cell |
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1973
- 1973-10-20 GB GB4899773A patent/GB1447410A/en not_active Expired
-
1974
- 1974-10-03 DE DE19742447289 patent/DE2447289A1/de active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1447410A (en) | 1976-08-25 |
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