DE2546232A1 - Mehrschichtiges halbleiterbauelement hohen photoelektrischen wirkungsgrades - Google Patents

Description

Mehrschichtiges Halbleiterbauelement hohen photoelektrischen Wirkungsgrades

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine auf Bestrahlung ansprechende und somit elektrische energieerzeugende photoelektrische Einrichtung und insbesondere auf ein mehrschichtiges photoelektrisches Halbleiterbauelement hoher photoelektrischer Umsetzungswirksamkeit.

Das Phänomen der Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie ist schon lange bekannt. Photoelektrische Zellen oder Photozellen zur Ausübung dieser Funktion bestehen seit

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mehreren Jahren. Diese Vorrichtungen sind jedoch nicht ohne weiteres verwertet worden, da sie an geringer photoelektrischer Umsetzungswirksamkeit und an geringer Sperrschichtenergiedichte leiden. D.h., die in Abhängigkeit von auffallender lichterzeugender Wattleistung pro Quadratzentimeter ist unerwünscht gering. Infolgedessen ist die durch derartige Photozellen erzeugbare elektrische Energie unerwünscht gering und für viele Verwendungszwecke ungeeignet.

Wie bekannt, besteht das Spektrum der Strahlungsenergie mit den sehr hohen Frequenzen, um somit als Licht klassifiziert zu werden, wie z.B. das Sonnenspektrum, aus verschiedenen Frequenzen oder Wellenlängen. Es ist auch bekannt, daß dann, wenn die in auffallendem Licht eingeschlossene Energie die Bandlückenenergie gewisser Halbleitermaterialien überschreitet, das Material ausreichend erregt wird, so daß ein Elektron ausgestrahlt bzw. abgegeben oder zumindestens freigegeben wird, um somit einen elektrischen Strom zu stützen. D.h., wenn die Photonenergie hf, worin h das Plancksche Wirkungsquantum bedeutet und f die Frequenz des auffallenden Lichts ist, über die Bandlückenenergie E hinausgeht, so werden Elektronen in dem Valenzband des Halbleitermaterials in das Leitungsband hinein erregt, um somit ein Loch-Elektronpaar zu bilden. Diese Ladungsträger sind geeignet, einen Strom zu erzeugen.

Die meisten bisher bekannten Photozellen bestehen nur aus zwei Bereichen oder Schichten, welche aus einem n-Typ-Material benachbarten ρ-Typ-Material bestehen, wobei sie einen pn-übergang dazwischen bilden. Elektroden sind an die betreffenden p-Typ-Materialien und n-Typ-Materialien angefügt, um somit eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom zu liefern, wenn die Photozelle bestrahlt worden ist.

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Entsprechend dem bekannten photoelektrischen Phänomen erregt bzw, regt auffallendes Licht, dessen Energie hf ist, ein Elektron im Valenzband in das Leitungsband an, womit sie das obenerwähnte Loch-Elektronpaar bildet. D.h., das nun im Leitungsband befindliche Elektron wird mit einem Loch im Valenzband gepaart, woher das Elektron kam. Das elektrische Feld am pn-übergang trennt das Loch-Elektronpaar, so daß das Elektron im n-Typ-Bereich und das Loch im p-Typ-Bereich gesammelt wird. Aufgrund dieser Ladungswanderung ist das Ferminiveau am pn-Obergang nicht kontinuierlich. Es besteht vielmehr ein Unterschied im Ferminiveau zwischen dem p-Typ-Bereich und dem n-Typ-Bereich, wodurch eine Sperrschichtausgangsspannung V entsteht, welche diesem Unterschied proportional ist. Diese Ausgangsspannung kann verwertet werden, indem eine geeignete Belastung bzw. ein geeigneter Verbraucher mit der Photozelle verbunden wird.

Die photoelektrische Halbleiterzelle ist verschiedenen Verlusten darin unterworfen, wovon manche herabgesetzt werden, wogegen andere theoretisch nicht reduziert werden können. Diese Verluste sind wie folgt:

Optischer Verlust; Das ist der Verlust in der Lichtenergie, der durch eine Reflektion an der Oberfläche der photoelektrischen Zelle und durch die-Übertragung von Licht durch die Zelle hindurch ohne Absorption verursacht wird,

Quantumverlust (lange Wellenlänge): Das ist dar Verlust in Photonenergie, worin hf kleiner als die Bandlückenenergie E_g ist.

Quantumverlust (kurze Wellenlänge): Das ist der Verlust in der Photonenergie, der viel höher ist als die Bandlücken-

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energie und in Wärme umgesetzt wird. Die Umsetzung von Photonenergie in Wärme und nicht in elektrische Energie wird als Verlust betrachtet.

Sammlungsverlust: Das ist der auf die Wiedervereinigung von Minoritätsträgern zurückzuführende Verlust, welche, nachdem sie am pn-übergang diffundiert worden sind, mit Majoritätsträgern wiedervereinigt werden. Es steht fest, daß ohne diese Wiedervereinigung die Diffusion der Minoritätsträger als Nutzstrom abgeleitet werden kann.

Potentialfaktorverlust: Das ist der Verlust, der durch den Abfall der Potentialenergie eines Ladungsträgers verursacht wird, wenn der Träger den pn-übergang kreuzt.

Impedanzfaktorverlust und hier näher der Verlust des Impedanzfaktors betreffend das Verhältnis des Scheinwiderstandes zum Wirkwiderstand: Das ist der Verlust in Energie, der durch den Innenwiderstand der photoelektrischen Zelle und den Reststrom am pn-Überg^ng verursacht ist.

Obwohl die meisten bekannten photoelektrischen Halbleiterzellen nur aus zwei Schichten gebildet sind, ist eine photoelektrische Mehrfachübergangszelle von M. Wolf in Proceedings of IRE, Bd. 48, No. 7, S. 1246 beschrieben worden. Eine Mehrschichtenhalbleiteranordnung ist auch in der U.S.-PS 3 046 459 und in der U.S.PS No. 3 186 873 beschrieben. Manche Schichten dieser Mehrschichtenanordnungen weisen jedoch lange Diffusionslängen auf. Infolgedessen wird erwartet, daß der Sammlungsverlust in diesen Mehrschichtenvorrichtungen hoch ist und zu einer verhältnismässig geringen photoelektrischen Wirksamkeit und zu einer geringen Sperrschichtenergiedichte führt. Infolgedessen sind diese Einrichtungen des Standes der Technik für viele Verwendungszwecke als photoelektrische Halbleiterzelle nicht gut ge-

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eignet.

Die zur Zeit verwendete typische photoelektrische Halbleiteranordnung ist eine Zweischichten-Konstruktion. Bei dieser Konstruktion, welche aus benachbarten p-Typ-Materialien und n-Typ-Materialien besteht, ist der photoelektrische Wirkungsgrad unerwünscht gering, während

2 die Sperrschichtenergiedichte (Ausgangswattleistung/cm ) gering ist, was zu niedrigen Ausgangsspannungs- und -Strompegel führt. Dies begrenzt die Verwendung der photoelektrischen Einrichtung.

Eine Ursache der geringen Wirksamkeit und der geringen Energiedichte der photoelektrischen Einrichtung nach dem Stand der Technik ist der Sammlungsverlust darin. D.h., daß obwohl der pn-übergang durch auffallendes Licht zur Erzeugung von Löchern und Elektronen angeregt wird, wird die Injektion eines Minoritätsträgers (z.B. eines Loches) in einen Bereich (z.B. η-Typ) zur Herbeiführung eines Diffusionsstromes darin oft durch die Wiedervereinigung des Minoritätsträgers (Loches) mit einem Majoritätsträger (Elektron) drastisch eingeschränkt» Wird diese Wiedervereinigung auf ein Minimum herabgesetzt, so kann der Diffusionsstrom zur Ausgangsleistung, welche durch die Einrichtung entwickelt wird, wesentlich beitragen.

Der Sammlungsverlust wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung herabgesetzt bzw. reduziert, welche aus vier, sechs oder 2n-Sehichten (wobei η 2 oder mehr bedeutet) eines abwechselnden p-Typ- und η-Typ-Materials gebildet ist, worin die Dicke jeder Schicht und insbesondere jene der Innenschichten kleiner als die Diffusionslänge eines Minor itätstragers darin ist. Sätze aus drei aufeinanderfolgenden Schichten bilden Transistoren (pnp und npn). In Ab-

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hängigkeit von der Stellung dieser Schichten in der Einrichtung sind die Emitter zweier Transistoren durch die betreffenden Aussenschichten gebildet. Der normale Stromverstärkungsfaktor q(,_m jedes dieser beiden Transistoren ist größer als 0,6 5, während der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor oL· jedes dieser beiden Transistoren zwischen 0,2 und 0,7 liegt. Alle anderen Transistoren, die in den aus 6-Schichten (und mehr) bestehenden Einrichtungen gebildet sind, haben normale und umgekehrte Stromverstärkung CoC_n und OC-r) zwischen 0,2 und 0,7.

Demgemäß ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer photoelektrischen Halbleitereinrichtung mit hoher photoelektrischer Wirksamkeit.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten photoelektrischen Halbleitereinrichtung mit verhältnismässig geringem Sammlungsverlust.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten photoelektrischen Halbleiterzelle, wobei der photoelektrische Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung, welche dadurch erzeugt ist, geringe temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer photoelektriadien Mehrschichteneinrichtung mit einem verbesserten Wirkungsgrad, so daß eine verhältnismässig höhere Ausgangsspannung und ein höherer Ausgangsstrom in Abhängigkeit vom auffallenden Licht erzeugt wird, als dies bisher möglich gewesen ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten photoelektrischen Mehrschichten-

Halbleitereinrichtung» wobei jede Schicht eine Dicke aufweist, welche kleiner als die Diffusionslänge eines darin befindlichen Minoritätsträgers ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten photoelektrischen Mehrschichten-Halb lextereinrichtung, welche die Transistortätigkeit unterstützen und somit den photoelektrischen Wirkungsgrad verbessern und den Sammlungsverlust reduzieren kann.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung erhellen aus der nachfolgenden Beschreibung, wobei die neuartigen Merkmale insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen hervorgebracht werden.

Erfindungsgemäß ist eine photoelektrische Halbleiteranordnung aus 2n-Schichten eines abwechselnd p-Typ-Ma-terials und eines n-Typ-Materials, worin η eine ganze Zahl, die größer als 1 ist, bedeutet und worin die benachbarten p-Typ-Materialien und n-Typ-Materialien pn-Übergänge begrenzen bzw. bildenj worin jede Schicht eine Dicke hat, welche kleiner als die Diffusionslänge eines darin befindlichen Minoritätsträgers ist, so daß dann, wenn die pn-Übergänge durch Licht angeregt werden, weichesauf die Einrichtung auffällt, Elektronen in dem n-Typ-Material auf der einen Seite eines pn-Öberganges und Löcher in dem p-Typ-Material auf der anderen Sexte des Überganges gesammelt werden, um somit sämtliche pn-Übergänge vorwärts vorzuspannen. Infolge der Vorwärtsvorspannung der pn-Übergänge findet Transistortätigkeit in jedem Satz dreier aufeinanderfolgender Schichten statt, so daß ein Träger aus einer ersten dieser aufeinanderfolgenden Schichten in die nächste benachbarte Schicht und von dort in die nachfolgende aufeinanderfolgende Schicht injiziert wird, um einen Strom dadurch zu unterstützen. Die entgegengesetzten äussersten Schichten

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der photoelektrischen Halbleiteranordnung können einen Strom einer Belastung oder einem Verbraucher zuführen, der daran angeschlossen ist.

Die nachfolgende nähere Beschreibung wird am besten im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden; darin zeigen beispielsweise:

Fig. 1 die Trägerwanderung an einem pn-übergang;

Fig. 2A - 2D eine schematische Ansicht der Geschehnisse an entsprechenden pn-Übergängen in einer photoelektrischen Mehrschichteneinrichtung sowie eine schematische Ansicht eines äquivalenten Stromkreises zur Beschreibung dieser Geschehnisse;

Fig. 3 die Erläuterung darüber, wie Ausgangsleistung durch eine photoelektrische Einrichtung erzeugt wird;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer photoelektrischen Mehrschichten-Halbleitereinrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Lehren;

Fig. 5-8 die Art und Weise, auf welche die Ausführungsförm nach Fig. 4 hergestellt wird;

Fig. 9 - 11 Alternativ-Ausführungsformen einer photoelektrischen Mehrschichten-HalbleitensLnri chtung gemäß den erfindungsgemäßen Lehren;

Fig.12 die Art und Weise, in welcher elektrische Energie durch eine alternative Ausführungsform einer photoelektrischen Halbleitereinrichtung gemäß den er- findungsgemäßen Lehren erzeugt wird;

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Fig, 13 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoelektrischen Halblexterexnrxchtung;

Fig. 14 einen graphischen Vergleich der verbesserten Wirksamkeit, welche durch die erfindungsgemäße photoelektrische Halbleitereinrichtung erzielt wird, mit der Wirksamkeit der Einrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 15 einen graphischen Vergleich der relativen Stabilität des Ausgangs bzw. derAusgangsleistung, die durch die erfindungsgemäße photoelektrische Halbleitereinrichtung erzeugt wird, während sich die Umgebungs- bzw. Raumtemperatur ändert;

Fig. 16 und 17 graphische Darstellungen des Verhältnisses Spannung/Strom einer Einrichtung nach dem Stand der Technik bzw. der erfindungsgemäßen photoelektrischen Halbleitereinrichtung;

Fig. 18 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Ausgangsleistung, welche durch eine photoelektrische Einrichtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auffallenden Lichts erzeugt ist, wobei die verbesserten Ergebnisse dargestellt sind, die erfindungsgemäß erzielt werden; und

Fig. 19 eine schematische Ansicht der besonderen Art eines optischen Oberzuges, der an die erfindungsgemäße photoelektrische Halbleitereinrichtung aufgetragen ist.

Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen stellt Fig. 1 die Ladungs-

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trägerwanderung an einen Obergang J dar, der durch p-Typ- und n-Typ-Material begrenzt bzw. gebildet ist. Wird nun angenommen, daß das auffallende Licht eine Photonenergie hf hat, welche die Bandlückenenergie E überschreitet, wo wird ein Elektron in dem p-Typ-Material aus dem Valenzband E zum Leitungsband E , wie gezeigt, erregt bzw.· angeregt, um ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Wie bekannt, wandern die Elektronen im Leitungsband E in dem p-Typ-Material am Übergang J und fallen in das n- Typ -Material hinein. Auf ähnliche Weise kommen die Löcher im Valenzband E in dem n-Typ-Material am Übergang J in das p-Typ-Material hinein. Dies wird in Fig. 1 mit ganzen Linien gezeigt. Dieser Drift-Strom verursacht einen Unterschied in der Ladungskonzentration am Übergang J. Infolge dieses Unterschiedes der Ladungskonzentration wird ein Diffusionsstrom gebildet, wodurch Elektrone aus dem n-Typ-Material in das p-Typ-Material injiziert und Löcher aus dem p-Typ-Material in das n-Typ-Material injiziert werden. Dieser Diffusionsstrom wird in Fig. 1 durch gestrichelte Linien gezeigt. Wie dargestellt, befindet sich der Drift-Strom in der Richtung entgegengesetzt zum Diffusionsstrom.

Wenn sich der Drift-Strom und der Diffusionsstrom zueinander im Gleichgewicht befinden, so besteht eine Ausgangsspannung V am p-Typ- und n-Typ-Material. Während die Wanderung der Ladungsträger in dem Drift-Strom verwendet werden kann, um einen Ausgangsstrom aus der Einrichtung zu erhalten, vereinigen sich die Ladungsträger, die als Minoritätsträger injiziert worden sind, schließlich wieder; d,h, , die Elektronen, welche in das p-Typ-Material injiziert worden sind, vereinigen sich mit einem Loch darin wieder, wobei die Löcher, die in das n-Typ-Material injiziert worden sind, sich mit den Elektronen darin wieder vereinigen. Infolgedessen kann der Diffusionsstrom im allgemeinen nicht ver-

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wertet werden, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen. Da nützliche Ergebnisse aus dem Diffusionsstrom nicht ohne weiteres erhalten werden können, ist ersichtlich, daß die gesamte photoelektrische Wirksamkeit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung vermindert ist. Da ferner der Diffusionsstrom sich mit dem Anstieg der Raumtemperatur vergrössert, führt die Wiedervereinigung der injizierten Minoritätsträger mit Majoritätsträgern zu einem effektiv weiteren Abstieg der photoelektrischen Wirksamkeit.

Nun werden die mechanischen Gegebenheiten der Trägerwanderung in einer aus vier Schichten bestehenden Einrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 2A - 2D beschrieben. Es sei angenommen, daß die in Fig. 2A gezeigte Einrichtung 1 eine pnpn-Photozelle ist, die aus einem ersten p-Typ-Bereich P-,, einem zweiten n-Typ-Bereich N₁, einem zweiten p-Typ-Bereich P₂ und einem zweiten n-Typ-Bereich N₂ besteht, welche die pn-Obergänge J-, bzw. J₂ und J₃, wie gezeigt, bilden. Die Dicke oder Weite bzw. Breite der entsprechenden Bereiche P., N,, P₂, N₂, sind W, bzw. W₀ bzw. W„ bzw. W₁ .

Fig. 2B zeigt die Bandenergie der entsprechenden Bereiche der Einrichtung 1 in Abwesenheit von auffallendem Licht. Das Niveau E^ zeigt das Ferminiveau, während E das niedrigere Niveau des Leistungsbandes und E das höhere Niveau der Valenzbänder ist. Wenn nun Licht auf den P,-Bereich, wie in Fig. 2 gezeigt, fällt, so werden Elektronen in den Valenzbändern E zum Leitungsband E angeregt werden, vorausgesetzt, daß die Photonenergie die Bandlückenenergie überschreitet. Diese Anregung oder Erregung von Elektronen bildet Elektron-Loch-Paare. Es ist ersichtlich, daß die Löcher, die in dem P,-Bereich gebildet werden, darin verbleiben, wogegendie Elektronen in dem Leitungsband "bergab" in den N,-Bereich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes am Obergang J, wandern.

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Auf ähnliche Weise.werden Elektron-Loch-Paare in jedem der Bereiche N,, P₂ und N_ gebildet. Elektronen verbleiben in den n-Typ-Bereichen, während die Löcher darin "bergauf" in die benachbarten P,- und P₂-Bereiche unter dem Einfluß des elektrischen Feldes an den entsprechenden pn-Obergängen, wie in Fig. 2C gezeigt, wandern. In dem P₂-Bereich, wandern die in den Elektron-Loch-Paaren gebildeten Elektronen "bergab" in die N-- und N₂-Bereiche, während die Löcher in dem P₉-Bereich darin verbleiben. Aufgrund dieses Phänomens sammeln sich Elektronen in den N-,- und N₂-Bereichen, wie sich Majoritätsträger und Löcher in den P-,- und P₂-Bereichen als Majoritätsträger darin sammeln.

Es wird daran erinnert, daß diese Sammlung von Majoritätsträgern in den entsprechenden Bereichen einen Unterschied in der Ladungskonzentration verursacht, welche ausreicht, um Minoritätsträger in einen Bereich zu injizieren. D.h., die Elektronen werden an den Obergängen J, und J~ aus dem N,-Bereich in die P,- bzw. P^Bereiche als Minoritätsträger injiziert. Auf ähnliche Weise werden Elektronen am Obergang J₃ aus dem ^-Bereich in den P₂-Bereich als Minoritätsträger injiziert. Auch werden Löcher in die entsprechenden N,- bzw. N₂-Bereiche als Minoritätstrager durch die benachbarten p-Typ-Bereiche injiziert. Ein Problem der Einrichtungen nach dem Stand der Technik besteht darin, daß diese injizierten Minoritätsträger, welche einen Minoritätsträger-Diffusionsstrom erzeugen, sich mit dejEi Majoritätsträgern wiedervereinigen, um den photoelektrischen Wirkungsgrad der Zelle herabzusetzen. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch überwunden, indem die Breite oder Weite W₂ des N,-Bereiches und die Breite oder Weite W₃ des P₂-Bereiches, wobei die beiden Innenbereiche der Einrichtung 1 sind, so gewählt werden, daß sie geringer als die Diffusionslänge der darin befindlichen Minoritätsträger sind. Somit ist die Weite W₂ geringer als

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die Diffusionslänge L der Löcher, die in den !^-Bereich injiziert wurden, wobei die Weite W₃ geringer als die Diffusionslänge L der Elektronen ist, welche in den P₃-Bereich injiziert wurde. Die Diffusionslänge wird durch die Quadratwurzel des Produktes der Lebensdauer des Minoritätsträgers und eine Diffusionskonstante des Minoritätsträgers bestimmt. Somit können die entsprechenden Weiten oder Breiten der Innenbereiche der Einrichtung 1 durch die nachfolgenden mathematischen Ungleichheiten dargestellt werden:

^W2

(2)

worin D und D die Diffusionskonstanten der Minoritätsträger (Löcher bzw. Elektronen) in dem N,- und P₂-Bereich und f und tT die Lebensdauer der Minoritätsträger in dem N,- bzw. P₂-Bereich sind.

Infolge der Vorwärtsvorspannung der Obergänge J,, J₂ und J₃ aufgrund der Majoritätsträgeransammlung in den entsprechenden Bereichen und infolge der Tatsache, daß die Dicken der Innenbereiche der Einrichtung 1 geringer als die entsprechenden Minoritätsträgerdiffusionslängen sind, wird die Transistortätigkeit in der Einrichtung möglicht gemacht. D.h. die Elektronen in dem Ν,-Bereich werden in den P₂-Bereich injiziert und überqueren diesen Bereich, um den Übergang J₃ zu überqueren, und wandern dann in den N₂-Bereich. Diese Bewegung der Elektronen an den Übergängen J₂ und J₃ erfolgt aufgrund der Transistortätigkeit,so daß ein npn-Transistor als aus einem Emitter N,, eine Basis P₂ und einem Kollektor N₂ gebildet betrachtet werden kann.

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Eine ähnliche Transistortätigkeit findet statt, um ein Loch aus dem P₂-Bereich in den N,-Bereich zu injizieren, worauf dieses Loch dann den N-^Bereich als Diffusionsstrom und dann den Obergang J, überquert und in den P-, -Bereich wandert. Es kann also in Betracht kommen, daß ein pnp-Transistor gebildet ist, der einen Emitter aufweist, welcher dem P₂-Bereich entspricht, sowie eine Basis, welche dem N-,-Bereich und einen Kollektor enthält, welcher dem P-,-Bereich entspricht. Es ist also ersichtlich, daß die Transistor-Tätigkeit Majoritätsträger aus den entsprechenden Innenbereichen N, und P« zu den Aussenbereichen N₂ bzw. P-, transportiert.

Die wirksamen pnp und npn-Transistoren, die soeben beschrieben wurden, sind als die äquivalenten Transistorschaltungen in Fig. 2D gezeigt. Der Transistor Tr-, entspricht dem pnp-Transistor, der aus den Bereichen P₂, N, und P, gebildet ist, während der Transistor Tr₂ dem apn-Transistor N-, , P₂ und N₂ entspricht. Die Stromquellen S₁-S₃ entsprechen den Übergängen J₁ - J₃.

Betrachtet man die Arbeitsweise der in Fig. 2D gezeigten äquivalenten Schaltung, verursacht das auffallende Licht, daß die Stromquelle S-, Löcher der Ausgangsklemme T, liefert. Elektronen, die in den N,-Bereich wandern, werden zum N₂-Bereich durch den Transistor Tr₂ transportiert und sie werden an der Ausgangsklemme T₂ abgeleitet. Das auffallende Licht betätigt auch die Stromquelle S₂, so daß Löcher, die in den P₂-Bereich aus dem N,-Bereich wandern, zum P-,-Bereich durch den Transistor Tr^ transportiert und an der Ausgangsklemme T, abgeleitet werden. Auch Elektronen, die in den N-,-Bereich aus dem P₂-Bereich wandern, werden durch den Transistor Tr₂ zum Nj-Bereich transportiert und an der Ausgangsklemme T₂ abgeleitet. Schließlich betätigt das auffallende Licht die

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Stromquelle S₃, um Elektronen der Ausgangsklemme T2 zuzuführen. Löcher, welche aus dem ^-Bereich in den P₂-Bereich wandern, werden durch den Transistor Tr₁ zum P-^-Bereich transportiert und an der Ausgangsklemme T, abgeleitet.

Die Strömung von Ladungsträgern durch die in den Fig. 2A 2C gezeigte und in Verbindung mit der äquivalenten Transistorschaltung der Fig. 2D kurz beschriebene Einrichtung 1 hindurch wird nun im Zusammenhang mit der Darstellung der Fig, 3 mathematisch erläutert. Es sei angenommen, daß die aus vier Schichten bestehende Einrichtung mit einer Belastung bzw, einem Verbraucher verbunden wird und daß Strom durch den Verbraucher hindurch strömt, Die Positivrichtung dieses Stromfußes erfolgt in der x-Richtung. Da drei aufeinanderfolgende Bereiche (P₁N₁P₂ und N₂P₃N ) die Transistortätigkeit unterstützen, kann der Gesamtstrom, der einen pn-übergang überquert, als aus einzelnen Komponenten bestehend betrachtet werden, die aus einer Injektionsstromkomponente, einer Transistor-Kollektor-Stromkomponente und einer Sperrschicht-Stromkomponente bestehen. Dementsprechend kann der den Obergang J₁ überquerende Strom I₁ mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

Der erste Begriff dieser Gleichung stellt den Injektonsstrom sowohl von Löchern als auch von Elektronen dar, während der zweite Ausdruck den Lochkollektorstrom des Transistors ^P2^N1^P1 ^darstellt» worin der P₂-Bereich dem Transistor-Emitter und der P^Bereich dem Transistor-Kollektor entspricht, während der dritte Ausdruck dem Sperrschichtstrom entspricht, der aus Elektronen und Löchern besteht.

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Auf ähnliche Weise kann der den Obergang Jj überquerende Strom I₂ mathematisch analysiert werden, um den mathematischen Ausdruck zu bilden:

Der erste Begriff dieses mathematischen Ausdruckes stellt den Lochkollektorstrom des Transistors PyN, P« ^dar> ^wor>iⁿ der P,-Bereich der Transistor-Emitter und der Pg-Bereich der Transistor-Kollektor ist. Der zweite Begriff der Gleichung (H) stellt den Injektionsstrom sowohl von Elektronen als auch von Löchern dar, Der dritte Ausdruck der Gleichung (H) stellt den Elektron-Kollektor-Strom des |Cransistorstromes

122 » ^wor>iⁿ ^^er N«-Bereich der Transistor-Emitter und der N,-Bereich der Transistor-Kollektor ist. Der vierte Ausdruck der Gleichung (4) stellt schließlich den Sperrschichtstrom dar, der aus Elektronen und Löchern besteht.

Der den Übergang J„ überquerende Strom L kann gleicherweise entsprechend der nachfolgenden Gleichung mathematisch analysiert werden:

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Der erste Ausdruck der Gleichung (5) stellt den Elektron-Kollektorstrom des Transistors N₁P₂N₂ dar, worin der N-j-Bereich der Transistor-Emitter und der ^-Bereich der Transistor-Kollektor ist. Der zweite Ausdruck der Gleichung (5) stellt den Injektionsstrom am Übergang Jo dar. Der dritte Ausdruck dieser Gleichung stellt den Sperrschichtstrom dar.

Bei jeder der Gleichungen (3), (¹O und (S) sind die nachfolgenden Definitionen und Konventionen angenommen:

Ig,, Ig₂ ^und IgQ stellen die entsprechenden absoluten Werte der Sattigungsströme dar, welche die Übergänge J-, bzw. J₂ bzw, Jo kreuzen.

It-i» It₂ ^unc* ^L3 bellen die absoluten Werte der Sperrschichtströme dar, welche die entsprechenden Übergänge kreuzen. Der Sperrschichtstrom entspricht dem oben erwähnten Drift-Strom und kann einer Form eines Stromes mit "photomotiver" Kraft verglichen werden.

V₁, V₂ und Vo stellen die Spannungen an den entsprechenden Übergangszonen mit positiven Polaritäten entgegengesetzt der Richtung χ dar.

1N normalen Stromverstärkungsfaktor des pnp-Tran

sistors dar, dessen Emitter der P₁-Bereich ist, Der Stromfluß in diesem pnp-Transistor ist durch den entsprechenden Pfeil in Fig. 3 dargestellt.

C^₂Jj stellt den normalen Stromverstärkungsfaktor des npn-Transistors dar, dessen Emitter der N₂-Bereich ist. Der Stromfluß in diesem npn-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil gezeigt.

5L₁₁ stellt den umgekehrten Stromverstärkungsfaktor des pnp-Transistors dar, dessen Emitter nun der P2-Bereich ist. Der Stromfluß durch diesen pnp-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet.

stellt den umgekehrten Stromverstärkungsfaktor des npn-Transistors dar, dessen Emitter der N-,-Bereich ist. Der Stromfluß durch diesen npn-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet.

A stellt eine Konstante dar, die durch den Zustand der Übergangszone bestimmt ist und ist gleich Eins oder größer als Eins.

k ist die Boltzmann'sche Konstante.

q ist die elektrische Ladung eines Elektrons.

T ist die absolute Temperatur.

Die Gleichungen (3), (4) und (5) können in dem nachfolgenden Matrixausdruck vereinigt werden:

1 -

O -<

Sl

I (exp(

S3 ^V

-I

Ll

1,2

-I

L3

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Der Strom durch die Einrichtung ist kontinuierlich und kann wie folgt dargestellt werden:

(7)

Der durch die Photozelle erzeugte Strom I ist, wie ersichtlich, negativ»

Aus der Matrixgleichung (6) und aus der Gleichung (7) kann die folgende Matrixgleichung erhalten werden:

ι -

O -

21

I+I

Ll

I-I

L2

I+I

L3

(8)

Die Matrixgleichung (8) ermöglicht es, die entsprechenden Übergangsspannungen V_n. V₀ und V₀ zu bestimmen. Da die durch die Photozelle erzeugte Ausgangsspannung V wie folgt ist:

V =

V₂ + V₃

(9)

so wird dann die Gesamtspannung V mathematisch wie folgt ausgedrückt:

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-log

'^Ί~ IN II 2N

+log ( (l-4l"jN'^I⁺J-N'^l) Ml?^>g2I*

(10)

Die entsprechenden in Klammern befindlichen Ausdrücke entsprechen den ÜbergangsZonenspannungen V₁ bzw. V₂ bzw. V

Es ist erwünscht, einen möglichst hohen Wert der Spannung V zu erzielen» so daß die Photofcelle als Energiequelle oder Stromquelle verwendet werden kann. Dies wird erzielt, indem die entsprechenden Nenner jedes in Klammern befindlichen mathematischen Gliedes mit einem kleinen positiven Wert versehen werden. Somit soll der Ausdruck CI-^_1n .(Lj -C^_n .dL ) so nahe an Null wie möglich sein. Da ferner der Totalstrom I negativ ist, hat die Spannung V einen höheren Wert, falls der Ausdruck (Ct^ + (^_n - 1) in dem mathematischen Zähler des zweiten in Klammern befindlichen mathematischen Gliedes ein großer positiver Wert ist. Diese Zustände sind wie folgt mathematisch ausgedrückt:

Es ist bekannt, daß der Stromverstärkungsfaktor C^ nicht grosser als Eins sein kann. Dementsprechend zeigt die in (12) ausgedrückte Ungleichheit an, daß es erwünscht ist, daß jeweils (A_1n bzw. OL_n gleich und zwar annähernd gleich Eins ist. Wenn diese Bedingung in die Gleichung (11) substituiert ist, ist ersichtlich, daß wünschenswert oLj + 0(__ = 1.

Diese gewünschten Werte für die entsprechenden normalen und umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren, welche mathematisch bestimmt worden sind, stimmen mit den Werten der Stromverstärkungsfaktoren überein, welche durch Versuche bestimmt worden sind. Diese experimentell bestimmten Werte sind wie folgt:

0.2 £"£^0.7 · · ^(l6)

Im allgemeinen ist der normale Stromverstärkungsfaktor eines Transistors, wie in einer Mehrschichtenkonfigucation einverleibt, d.h. dann, wenn der Transistoremitter die äusserste Schicht ist, wünschenswert größer als 0,65, während der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor, d.h. der Stromverstärkungsfaktor, bei welchem der Transistoremitter eine Innenschicht ist, wünschenswert innerhalb des Bereiches 0,2 bis 0,7 liegt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei der Beschreibung einer

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photoelektrischen MehrSchichteneinrichtung sich die äusserste Schicht oder der äusserste Bereich auf die Schicht bezieht, aus welcher der Ausgangsstrom oder der photoelektrische Strom abgeleitet wird.

Die obigen gewünschten Werte der entsprechenden normalen und umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren, die zu einer höheren Ausgangsspannung der photoelektrischen Mehrschichteneinrichtung führen, werden in der physikalischen Konstruktion einer erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. erhalten. Diese hier dargestellte photoelektrische Mehrschichten-Halbleitereinrichtung 1 besteht aus einem P+ Typ-Bereich 2, einem N-Typ-Bereich 3, einem P-Typ-Bereich 4 und einem N+ Typ-Bereich 5. Die äusseren P+ -und N+ Bereiche und 5 sind mit Elektroden 6 bzw. 7 versehen. Wie gezeigt, kann die Elektrode 6 eine gerippeähnliche oder fischgratähnliche Form mit einem Hauptzentralbereich und sich erstreckenden seitlichen Teilen annehmen. Auch andere Gestalten können selbstverständlich verwendet werden. Ungeachtet der bestimmten Gestalt der Elektrode 6 muß auffallendes Licht geeignet sein, in die photoelektrische Einrichtung übertragen zu werden oder muß dieselbe darin eindringen können. Ein nicht reflektierender Oberzug 9 ist auf der Aussenoberflache des Bereiches 2 mit P+ vorgesehen, um somit optische Verluste auf ein Minimum herabzusetzen, Es ist ersichtlich, daß der Überzug auf einer grösseren oder Hauptoberfläche der Einschichteneinrichtung 1 vorgesehen ist.

Die aufeinanderfolgenden Bereiche aus Wechselleitfähigkeitsmaterial bilden entsprechende pn-Übergänge J₁, J₂ und J₃ zwischen benachbarten Bereichen von Material mit entgegengesetzter Leitfähigkeit,

Kurz gesagt, wird während der Herstellung der photoelektrischen Hinrichtung 1 ein Substrat bzw. eine Unterlage entspre-

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chend dem Bereich 3 zunächst vorgesehen, worauf die verschiedenen anderen Schichten oder Bereiche darauf gebildet werden. Um die Unterlage mit geeigneter Verarbeitungsmaschinerie mechanisch zu behandeln und die Unterlage daran anzupassen, muß diese eine ausreichende Dicke haben. Dementsprechend hat die N Typ-Unterlage 3 bei einer Ausführungsform eine Dicke von 200 ai (Mikron), welche, was berücksichtigt werden soll, geringer als die Diffusionslänge des 'Minoritätsträgers (Loches) darin ist, welche annähernd 300 η ist. Die Unterlage hat eine Störstoffkonzentration von 3 χ 10¹³ Atome/cm³,

Der P+ Bereich 2 ist in einer Oberfläche des N Typ-Trägers 3 eindiffundiert und hat eine Dicke von annähernd 0,3 /lund

20 3

eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm . Der P Typ-Bereich ist auf der Aussenoberflache des N Typ-Trägers 3 epitaxial aufgetragen und hat eine Dicke von annähernd 5 ,u und

15 3 eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm . Der N+ Bereich 5 ist in die freigelegte Oberfläche des P- Typ-Bereiches »+ eindiffundiert und hat eine Dicke von annähernd 2 .u und

21 3 eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm ,

Wie soeben erwähnt, ist die Diffusionslänge der Minoritätsträger (Löcher) in dem N Typ-Träger größer als 300 ,u, so daß die Dicke des Trägerbereiches 3 kleiner als diese Diffusionslänge L ist. Da die Diffusionslänge L_R der Minoritätsträger (Elektronen) in dem P Typ-Bereich 4 größer als 100 ,uist, ist zu berücksichtigen, daß die Dicke des Bereiches U, welche als annähernd 5 ,u betragend beschrieben wurde, wesentlich kleiner als diese Diffusionslänge des Minoritätsträgers ist. Bei der dargestellten Ausführungsform können die Bereiche 2, 3 und 4 als einen pnp-Transistor darstellend und die Bereiche 3,4 und 5 als einen npn-Transistor darstellend betrachtet

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werden. Die normalen Verstärkungsfaktoren ⁰^ _N und ⁰C_2n dieser entsprechenden Transistoren sind jeweils annähernd 0,95, während die umgekehrten Verstärkungsfaktoren C><L und 0C dieser entsprechenden Transistoren jeweils annähernd 0,47 sind.

Während Strom an den entsprechenden Übergängen J₁, J₂ und J₃ fließt, sammeln sich sowohl die Majoritäts- als auch die Minoritätsträger in den Bereichen, wodurch eine Leitfähigkeitsmodulation darin verursacht wird. In dem niedrigen Injektionszustand, d.h. dann, wenn der Injektionsstrom eine verhältnismässig niedrige Konzentration hat, kann die Lebensdauer der Minoritätsträger durch die nachfolgenden Gleichungen dargestellt werden:

- -R(P+NV\C (17}

R(P+N)

worin P die Lochkonzentration, N die Elektronkonzentration, AC die Veränderung der Trägerkonzentration und R der Wiedervereinigungsfaktor ist. Es wird daran erinnert, daß ein Verhältnis zwischen der Minoritätsträgerdiffusionslänge und der Minoritätstragerlebensdauer besteht.

In dem Hochinjektionszustand, d.h. dann, wenn der Injektionsstrom eine hohe Konzentration aufweist, findet eine Leitfähigkeitsmodulation statt, wobei die Lebensdauer der Minoritätsträger die Tendenz zeigt, sich zu erhöhen, um somit größer als der Wert zu sein, der in der Gleichung (18) ausgedrückt ist. Die obenbeschriebenen Gleichungen (1) und (2) können verwendet werden, um die Minoritätsträgerlebensdauer

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im Hochinjektionszustand auszudrücken.

Obwohl die Fertigung der photoelektrischen MehrSchichteneinrichtung 1 kurz beschrieben wurde, wird nun auf die Fig. 5 - 8 in Zusammenhang mit der nachfolgenden näheren Erläuterung des Herstellungsverfahrens Bezug genommen. Der N Typ-Träger, der in Fig. 5 gezeigt ist, hat eine Dicke von annähernd 200 η und ist poliert. Eine P Typ-Schicht 8, welche schließlich die Schicht 4 bildet, wird in eine Schicht des Trägers durch Bohrdiffusion bis zu einer Tiefe von etwa 10 Ai eindiffundiert. Wechselweise kann die Schicht 8 auf die Oberfläche des Trägers epitaxial aufgetragen werden. Demnächst wird Phosphor in die fräliegende Oberfläche der P Typ-Schicht 8 eindiffundiert, um somit eine N+ Schicht 5 zu bilden, welche eine Dicke von annähernd 3 ,u und eine Stör-

21 3

Stoffkonzentration von 10 Atome/cm aufweist. Es ist zu berücksichtigen, daß dann, wenn die Schicht 5 in die oberen Oberflächen der Fig. 8 eindiffundiert wird, werden die entsprechenden Schichten 4 und 5, wie in Fig. 6 gezeigt, gebildet, so daß in diesem Stadium der Herstellung der photoelektrischen Einrichtung drei aufeinanderfolgende Bereiche aus einem Material wechselnder Leitfähigkeitsart vorgesehen werden.

Bor wird in die entgegengesetzte Oberfläche des Trägers 3 eindiffundiert, um eine, wie in Fig. 7 gezeigt, dünne P+ Schicht 2 zu bilden. Dann wird die Elektrode 6, welche beispielsweise aus Aluminium besteht, auf den P+ Bereich 2 in der Konfiguration, wie in Fig. 4 gezeigt, aufgetragen. Der nicht reflektierende Überzug 9 aus annähernd 650 $ wird auf die verbleibende Oberfläche der Schicht 2 aufgetragen. Der Gesamtoberflächenbereich der in Fig. 7 gezeigten photoelektrischen Einrichtung kann groß sein, wobei viele Elektrodenkonstruktionen 6 auf der freigelegten Oberfläche der Schicht 2 vorgesehen werden können. In diesem Falle kann die Gesamtkonstruktion unterteilt werden, wie z.B. durch herkömmliche Schneidmethoden,

009810/0757

und zwar in einzelne photoelektrische Mehrschichtenhalb-

Ieitereinrichtungen, Bei einer Ausführungsform ist jede

2
Einrichtung mit einer Oberfläche von 8 mm versehen.

Falls die in Fig. 5 gezeigte Schicht 8 auf den Träger 3
epitaxial aufgetragen worden ist, so kann die Umgebung
des Überganges J₂* wie anschliessend zwischen dem Träger 3 und der Schicht 8 gebildet, leicht gedopt oder dotiert bzw. angereichert werden. Eine leichte Dotierungskonzentration

13 18 3
von 10 bis 10 Atome/cm ist wünschenswert. Bei dieser leichten Dotierungskonzentration können die umgekehrten
Stromverstärkungsfaktoren P^₁₁ und ^₂T ^^er Mehrschichteinrichtung ohne weiteres zu 0,5 angenähert werden. Dieser Wert liegt reichlich innerhalb des Bereiches, welcher, wie oben beschrieben, mathematisch bestimmt und versuchsweise bestätigt worden ist, Falls die Aussenschichten 2 und 5 schwer dotiert bzw. angereichert worden sind, so kann auch der
normale Stromverstärkungsfaktor θ6-,_Ν bzw OC_2n ohne weiteres dem Wert Eins angenähert werden. Wie oben beschrieben, dieser Wert der normalen Stromverstärkungsfaktoren verbessert den Wirkungsgrad einer photoelektrischen Einridtung und erhöht die dadurch erzeugte Ausgangsspannung.

Bei der gerippeartigen oder fischgratartigen bzw. kammförmigen Gestalt der Elektrode 6 können die seitlichen Rippen eine Breite oder Weite innerhalb des Bereiches von 50 - 200 ,u aufweisen. Diese Form ist vorteilhaft, insofern, als dadurch ermöglicht wird, daß Einfallslicht oder auffallendes Licht durch den nicht reflektierenden Oberzug übertragen werden
kann oder durchgelassen werden kann, der auf der Lichteinfallsoberfläche der Einrichtung 1 aufgetragen ist, sowie in die photoelektrische Einrichtung einzudringen. Andere Gestalten der Elektrode 6 können verwendet werden, vorausgesetzt, daß

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genügend Licht in die photoelektrische Einrichtung eingeführt wird.

Zurückkehrend auf Fig. 4, kann eine Nickelschicht aufdie Aussenoberfläche der N+ Schicht 5- aufgetragen werden, wobei diese Nickelschicht auf einem geeigneten Stützelement 7 angelegt werden kann, welches vorzugsweise vornehmlich aus Kupfer besteht. Die Elektrode 6 ist mit einer Zuleitung 11 durch einen Draht 10 verbunden, während eine andere Zuleitung 12 mit dem Stützelement 7 verbunden ist.

Der nichtreflektierende Überzug 9 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 19 näher beschrieben. Es genügt, wenn nur festgestellt wird, daß diese Schicht aus einem Material hergestellt ist, dessen Drehungsindex η innerhalb des Bereites 1,8 bis 2,0 liegt. Wie oben erwähnt, dient dieser nichtreflektierende Überzug zur Herabsetzung der optischen Verluste in der photoelektrischen Einrichtung. Ein geeignetes Gehäuse, wie z.B. aus durch eine Gußformeinrichtung behandeltem durchsichtigen Material kann vorgesehen werden, um die photoelekt rische Mehrschichtenhalbleitereinrichtung 1 aufzunehmen.

Eine andere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen photoelektrischen Mehttschichtenhalbleiter ist in Fig. 9 gezeigt. Diese photoelektrische. Einrichtung 21 besteht aus Aussenbereichen und 25 aus einem Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und aus Innenbereichen 2 3 und 24. Wie gezeigt, bestehen die aufeinanderfolgenden Bereiche aus einem Material abwechselnden Leitfähigkeitstyps, wobei der Aussenbereich 22 mit einem L-H-Übergang versehen ist, der zwischen dem P Typ-Material und dem mehr beträchtlich dotierten P+ Material gebildet ist. Auf ähnliche Weise ist der Aussenbereich 25 mit einem L-H-Übergang versehen, der zwischen dem N Material und dem N+ Material gebildet ist. Der Bereich 2 5 ist ein Träger des N Typs, dessen Dicke geeignet ist, den verschiedenen Herstellungsarbeitsschrit-

e0981S/07S7

ten unterworfen zu werden, wobei jedoch sie geringer ist als die Diffusionslänge der Minoritätsträger (Löcher) darin. Wie oben erwähnt, eine typische Dicke des N Typ-Trägers 25 ist annähernd 200 ^u, Der P Typ-Bereich 24 ist auf den Träger epitaxial aufgetragen worden und hat eine Weite oder Breite von annähernd 5 ,u und eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm . Der N Typ-Bereich 23 ist auf den Bereich 24 epitaxial aufgetragen und hat ebenso eine Dicke von annähernd 5 ,u und eine Störstoffkonzentration von 10¹⁵ Atome/cm³. Der PTyp-Bereicft 22 ist auf den Bereich 2 3 epitaxial aufgetragen und hat eine Störstoffkonzentration

15 3
von 10 Atome/cm . Die hochdotierte oder hoch angereicherte P+ Schicht ist bis zu einer Tiefe von etwa 0,3 »u von der oberen Oberfläche des Bereiches 20 eindiffundiert und hat

20 3 eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm . Schließlich ist die hochgedopte N+ Schicht in die untere Oberfläche des Trägers 25 bis zu einer Tiefe von etwa 4 ,u eindiffundiert, wobei diese N+ Schicht eine Störstoffkonzentration von ΙΟ²¹ Atome/cm³ hat.

Falls die Störstoffkonzentration auf jeder Seite der entsprechenden L-H-Übergänge 28 und 29 ein Verhältnis aufweist, welches größer ist als 10 , so bildet der L-H-Übergang eine Potentialschranke gegen Minoritätsträger, Somit wird ein eingebautes· elektrisches Feld am L-H-Obergang vorgesehen. Darüber hinaus ist zu beachten, daß der L-H-Öbergang 28 innerhalb der Diffusionslänge von Minoritätsträgern (Elektronen) liegt, welche in den P Typ-Bereich 22 aus dem N Typ-Bereich 2 3 injiziert werden können. In ähnlicher Weise ist der L-H-Übergang innerhalb der Diffusionslänge des Minoritätsträgers (Löcher) angeordnet, welcher in den Träger 25 aus dem P Typ-Bereich 24 injiziert werden kann. Somit ist die Potentialschranke, welche durch das obenerwähnte Störstoffkonzentrat ions verhältnis am L-H-Übergang gebildet ist, vorteilhaft

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für das Blockieren der injizierten Minoritätsträger. Aufgrund dieser L-H-Übergänge weist auch ein pnp-Transistor, dessen Emitter der Bereich 22 ist, und ein npn-Transistor, dessen Emitter der Bereich 25 ist, hohe Emitterwirkungsgrade auf, da die Potentialschranke der L-H-Übergänge die Tendenz zeigt, den injizierten Basisstrom herabzusetzen. Der normale Stromverstärkungsfaktor ^-_1N des pnp-Transistors ist größer als 0,99, während der normale Stromverstärkungsfaktor ^₂M ^^{es n}Pⁿ~Transistors etwa 0,8 beträgt. Die entsprechenden umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren OC-j- und

O<__ betragen jeweils etwa 0,5. Die Werte dieser Parameter stimmen demnach mit den obenbeschriebenen, mathematisch abgeleiteten Werten und mit den experimentell bestimmten Werten überein.

Sämtliche Obergänge J, - Jq sind verhältnismässig nahe der Lichteinfallsoberflache, deshalb ist die dargestellte photoelektrische Mehrschichtenhalbleiter-Einrichtung gegenüber Licht kurzer Wellenlänge empfindlich. Insbesondere beinhaltet die Dicke des Trägers 25 zumindest 90 % der Gesamtdicke der Einrichtung, Der Obergang J₃ befindet sich in einer Tiefe zwischen 15 und 16 .u von der Lichteinfalloberfläche, so daß sämtliche PN-Übergänge innerhalb einer Tiefe von annähernd 10 % der Gesamtdicke der Einrichtung liegen. Da die kurze Wellenlänge des Lichtspektrums verwendet wird, ist ersichtlich, daß Licht höherer Energie in elektrische Energie umgesetzt wird.

Eine andere Ausführungsform der photoelektrischen Mehrschichtenhalbleiter-Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig, IO dargestellt. Die darin dargestellte photoelektrische Einrichtung 31 ist im wesentlichen ein umgekehrtes Abbild der Einrichtung 21, die zuvor unter Bezugnahme auf Fig.9 beschrieben wurdet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist jedoch die N+ Schicht nicht in die ganze Oberfläche des

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Trägers 32 eindiffundiert. Die N+ Schicht ist vielmehr selektiv in den N Typ-Träger eindiffundiert. Da ein hochgedopter Bereich die Tendenz zeigt, durchgelassenes oder übertragenes Licht zu dämpfen, ist ersichtlich, daß die selektive Diffusion der N+ Schicht es ermöglicht, daß Einfallslicht durch den Träger bis zu genügenden Tiefen in der photoelektrischen Einrichtung durchdringt, um somit durch die entsprechenden Obergänge absorbiert zu werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 hat der Träger 32 eine Dicke, welche größer als etwa 90 % der Gesamtdicke der Einrichtung ist. Da die Übergänge J, - J₃ verhältnismässig weit von der Lichteinfallsoberfläche entfernt sind, ist die Einrichtung 31 gegenüber den langen Wellenlängen des Spektrums empfindlich und somit auf Licht niedriger Energie ansprechend.

Nun ist auch eine andere Ausführungsform der photoelektrischen mehrschichtigen Halbleitereinrichtungen in den Fig. und 12 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Einrichtung 41 aus sechs Halbleiterschichten 42 - 47 gebildet, wobei diese Schichten so angeordnet sind, daß aufeinanderfolgende Schichten aus einem Material P bzw, N aus abwechselnd verschiedenen Leitfähigkeitstypen bestehen. Die Aussenbereiche 42 und 47 bestehen aus Material entgegengesetzten · Leitfähigkeitstyps, wobei die benachbarten Bereiche fünf pn-Obergänge J, - J₅ begrenzen bzw. bilden. Vergleicht man die in Fig. 11 gezeigte photoelektrische Einrichtung 41 mit der in Fig. 4 gezeigten photoelektrischen Einrichtung 1, so ist ersichtlich, daß die Aussenbereiche 4 2 und 47 nach Fig, 11 den Aussenbereichen 2 und 5 nach Fig. 4 entsprechen, während die Innenbereiche 43 und 46 nach Fig. 11 den Innenbereichen 3 und 4 nach Fig. 4 entsprechen. Somit können die Bereiche 44 und 45 als zwischen den Bereichen 3 und 4 nach Fig. 4 eingesetzt gedacht werden. Diese zusätzlichen Bereiche 44 und 45 haben jeweils eine Dicke von annähernd 5 .u und

15 3

eine Störstoffkonzentration von 10 Atome/cm . Die übrige

G09818/0757

Dicke und die Störstoffkonzentrationen der Bereiche 42, 4 3, 46 und 47 entsprechen jenen, die oben unter Bezugnahme auf die Bereiche 2 bzw. 3 bzw. 4 bzw. 5 beschrieben wurden.

Da die Dicke jedes der Innenbereiche 43-46 kleiner als die Diffusionslänge der darin befindlichen Minoritätsträger ist, können diese Bereichdicken wie folgt ausgedrückt werden:

^W2 < ^Lp2 ⁽¹⁹⁾

^W3 <^Ln3 ⁽²⁰⁾

^W5 < ^Ln5 * ⁽²²⁾

Infolge dieser Dicken, unter einer Ansammlung von Majoritätsträgern in den entsprechenden Bereichen, ist die Einrichtung imstande, die Transistortätigkeit zu unterstützen. Somit und unter Bezugnahme auf Fig. 12 sind Elektronen, die am Übergang J-. erzeugt sind, an dem Übergang J₂ injiziert und in den N₂-Bereich durch den Transistor N,P„N„ transportiert, worin der N^-Bereich der Transistor-Emitter ist. Sobald die Elektronen den ^-Bereich erreicht haben, werden sie am Bereich J₁^ in den Bereich P₃ injiziert und dann in den No-Bereich durch den Transistor N₂P₃N₃ transportiert. Auch Löcher, welche am Übergang J2 gebildet sind, werden in den N-,-Bereich injiziert und zum P-^-Bereich durch den Transistor Pq^I^I ^trans~ portiert. Die Elektronen, die am Übergang J₂ erzeugt sind, werden zum Bereich N₀ durch die Transistoren N,P₀N₀ und

3 L £ έ

N₂P₃N₃ transportiert. Löcher, die am Übergang J₃ gebildet sind, werden zum Bereich P-^ durch den Transistor F^l^l ^^vaJ[xs"' portiert, während Elektronen, welche am Übergang J₃ erzeugt sind, werden zum N₀-Bereich durch den Transistor N₀P₀N₀ trans-

O C-OO

portiert. Somit werden sämtliche Ladungsträger, die in den Innenbereichen erzeugt wurden, an den entsprechenden Aussenbe-

609818/0757

reichen P₁ und N₃ abgeleitet, von welchen sie an eine Belastung oder einen Verbraucher angelegt werden können.

Die Ausführungsform mit sechs Schichten gemäß den Fig. 11 und 12 kann entsprechend den Prinzipien analysiert werden, die bei der Analyse der obenbeschriebenen vierschichtigen Ausführungsform dargestellt wurden. Hierbei ist zu beachten, daß die verschiedenen Stromverstärkungsfaktoren wie folgt bestimmt werden können:

^_n ist der normale Stromverstärkungsfaktor für den Transistor P₁N₁P₂, worin der Ρ-,-Bereich der Transistor-Emitter ist.

ist der normale Stromverstärkungsfaktor des Transistors ϊη, worin der N₁-Bereich der Transistor-Emitter ist,

ist der normale Stromverstärkungsfaktor des Transistors P₀N₉P-, worin der P_o-Bereich der Transistor-Emitter ist.

ck.u™ ist der normale Stromverstärkungsfaktor des Transistors N-P₀N₀, worin der N--Bereich der Transistor-Emitter ist.

■3 O £ ο

C^₁₁ ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für den P]N₁P₂-Transistor. D.h., hier kann der P₂-Bereich als der umgekehrte Transistor-Emitter betrachtet werden,

0^₂X ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für den obenerwähnten N₂P₂N₁-Transistor,

C/i _3I ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für den obenerwähnten P₀Ny, P-

⁰^i₁J ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für den obenerwähnten N₃P₃N₂-Transistor. '

609818/07E7

Unter Verwendung dieser Parameter und in Nachfolge der oben umrissenen Prozedur bei der mathematischen Analyse der vierschichtigen photoelektrischen Einrichtung wird die nachfolgende Matrixgleichung für die in den Fig. 11 und 12 gezeigte sechsschichtige Einrichtung erhalten:

Sl

(exp(

qVjL

AkT

(exp(

^{v V}A

(exo(

I₃₅ (exp(

AkT

ο ο !o

-1

0 0 0

0 0 1 -C* 0 -1

0 c< 1 41

-1

I -

I +

I I

-h*

(23)

Da der Strom durch die Einrichtung kontinuierlich ist, ist die nachfolgende Gleichung bzw. der nachfolgende mathematische Ausdruck anwendbar:

= I₂ = I₃ = I^ = I₅

(24)

Da die Ausgangsspannung V der Summe der Obergangsspannungen gleich ist, ist auch die nachfolgende Gleichung anwendbar:

v = V₁ + v₂ ♦ V₃ + V₄ + V₅

(25)

Falls die Gleichungen (24) und C25) zur Lösung der Matrixglei-

609818/0757

25A6232

chung C2 3) verwendet werden, so wird gefunden, daß die Ergebnisse jenen gleich sind, welche für die vierschichtige Ausführungsform mathematisch abgeleitet wurden. Die normalen Stromverstärkungsfaktoren für jene Transistoren, deren Emitter die Aussenbereiche P, bzw. N₃ bilden, weisen demnach, wie gefunden wurde, den nachfolgenden Bereich auf:

Die übrigen normalen und umgekehrten StromVerstärkungsfaktoren liegen, wie auch gefunden wurde, innerhalb des nachfolgenden Bereiches:

⁽²⁷⁾

Es ist also ersichtlich, daß der normale Verstärkungsfaktor für den Transistor PtN₁P₂ und der normale Verstärkungsfaktor für den Transistor N₃P₃N₂ jeweils °*-,_N bzw. ⁰^₁₄M entspricht.

Hierbei ist zu beachten, daß bei der in Fig. Il gezeigten Ausführungsform die meisten Übergänge J₂-Jc von der Lichteinfallsoberfläche entfernt liegen. D.h. dann, wenn den Bereich 4 der Träger bildet, die Bereiche J₂ - J₅ von der Lichteinfallsoberfläche um mehr als 90 % der Gesamtdicke der Einrichtung getrennt sind. Es ist ausserdem ersichtlich, daß die Ausführungsform nach Fig. 11 gegenüber der langen Wellenlänge des Lichtspektrums empfindlich ist und somit auf Licht niedriger Energie anspricht. Zurückkehrend zur Fig. 13 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin gezeigt, welche im wesentlichen ein umgekehrtes Abbild der Einrichtung oder Ausführungsform nach Fig. 11 darstellt. Da der größte Teil der pn-Übergänge J, - JV verhältnismässig nahe der Lichteinfalls-

609818/075?

oberfläche bei der Ausführungsform nach Fig. 13 liegen, ist ersichtlich, daß diese Ausführungsform gegenüber den kurzen Wellenlängen des Spektrums empfindlich ist und somit Licht verwendet, welche höhere Energie hat.

Hierbei ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung nicht lediglich auf verschichtige und sechsschichtige Konstruktionen eingeschränkt werden soll. Die erfindungsgemäßen Lehren sind vielmehr auf 2n Schichtkonstruktionen anwendbar, worin η eine ganze Zahl ist, die größer als Eins ist. Anders ausgedrückt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine photoelektrische mehrschichtige Halbleitereinrichtung, bei welcher die beiden Aussenschichten aus einem Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen, wobei die Konstruktion aus 2n Schichten aus Material abwechselnden Leitfähigkeitstyps besteht, worin η eine ganze Zahl ist, welche in diesem Falle gleich Eins oder mehr als Eins ist.

Wie oben erwähnt, wurde gefunden, daß schwer angereicherte oder gedopte Bereiche wirken, um Licht zu dämpfen, welches dadurch durchgelassen wird. Dementsprechend wird bevorzugt, daß der schwer gedopte äusserste Bereich, welcher die Lichteinfallsoberfläche begrenzt bzw. bildet, eine Dicke hat, die kleiner als 1,0 Mikron ist, so daß das Licht nicht wesentlich gedämpft wird, Somit wird eine verhältnismässig dünne Aussenschicht gestatten, daß das Licht in die Einrichtung eindringt und jeden der Übergänge anregt. Es wird selbstverständlich bevorzugt, an den äussersten Schichten schwere Anreicherung oder Dotierung zu erwirken, um somit den höchsten Stromverstärkungsfaktor zu erreichen und somit den photoelektrischen Wirkungsgrad zu verbessern und die durch die Einrichtung erzeugte Ausgangsspannung zu erhöhen.

Während bei der obigen Erörterung angenommen wurde, daß jeder der entsprechenden Übergänge ein pn-übergang ist, ist zu be-

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achten, daß, falls gewünscht, auch verschiedenartige Übergänge gebildet werden können. Der andersartige Obergang hat verschiedene Spaltenergien oder Lückenenergien auf jeder Seite derselben.

Der Halbleiterkristall kann ferner ein Einkristall, Mehrkristall oder Flach- oder Bandkristall, wunschgemäß, sein. Typische Halbleitermaterialien, die verwendet werden können, sind Silicium, Germanium oder eine typische Ill-V-Verbindung.

Die oben beschriebenen Störstoffkonzentrationen sind ferner nur beispielsweise angegeben. Diese Störstoffkonzentrationen können wunschgemäß geändert werden. So z.B. kann die Dotierung gewisser Bereiche höher oder niedriger als jene bei anderen Bereichen sein.

Bei der Berücksichtigung der Energieumsetzungswirksamkeit η, wird dieser Wirksamkeitsfaktor allgemein wie folgt bestimmtj

n Maximalausgangsleistung (or " (Einfallslicht-' wirksamer Bereich) * * * ' ^K energie) (mW/cm ) iemr)

Der theoretische maximale Wirksamkeitsfaktor einer Silicium zelle liegt, wie man glaubt, zwischen 22 und 24 %. Entgegen gesetzt zu diesem theoretischen Maximum liegt der tatsächliche Wirksamkeitsfaktor einer photoelektrischen Siliciumeinrichtung zwischen 10 und 15 %. Durch die vorliegende Erfindung wird der Wirksamkeitsfaktor erhöht, um somit zwischen 17 und 20 % zu liegen.

Ein Vergleich zwischen dem Wirksamkeitsgrad, der durch dieerfindungsgemäße mehrschichtige Einrichtung erzielt wird, und jenem der typischen zweischichtigen Einrichtungen nach

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dem Stand der Technik ist in Fig. 14 gezeigt. Die Proben A, B und C sind handelsüblich erhältliche photoelektrische zweischichtige SiIiciumeinrichtungen. Die Probe D ist eine piezoelektrische zweischichtige Siliciumanordnung, die entsprechend den herkömmlichen Herstellungsmethoden gefertigt wird. Die Probe E ist eine photoelektrische eechsschichtige Einrichtung der Art, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben. Die Probe F ist eine vierschichtige photoelektrische Anordnung der Art, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurde. Bei dem dargestellten graphischen Vergleich stellen die kreuzartigen Striche die entsprechenden Wirkungsgrade der Einrichtungen dar, die auf Wolframlicht ansprechen, deren Maximalenergie in einer längeren Wellenlänge des Spektrums liegt, als die Maximalenergie des Sonnenlichtes, Die übrigen nicht kreuzartigen Striche stellen die Wirkungsgrade der entsprechenden Proben dar, welche auf Sonnenlicht ansprechen. Es ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad der Probe E (bei der Ausführungsform nach Fig. 11) und der Wirkungsgrad der Probe F (bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 4) jeweils größer als die Wirkungsgrade der Proben A-D nach dem Stand der Technik ist. Der Wirkungsgrad der Probe F (Fig. H), die auf Sonnenlicht anspricht, ist größer als der Wirkungsgrad der Probe E (Fig. 11), weil die pn-Obergänge in der Probe F näher der Lichteinfallsoberfläche als die pn-Übergänge der Probe E liegen, Da das Sonnenlicht eine Maximalenergie in der kurzen Wellenlänge des Spektrums hat, ist die Ausführungsform nach Fig. H empfindlicher demgegenüber und somit wirkungsvoller. Umgekehrt ist der Wirkungsgrad der Probe E (Fig, 11) die auf Wolframlicht anspricht, höher als der Wirkungsgrad der Probe F (Fig. 4). Die pn-Obergänge bei der Ausführungsform nach Fig. 11 sind ferner von der Lichteinfallsoberfläche als die pn-Übergänge bei der Ausführungsform nach Fig, 4 und somit empfindlicher gegenüber den längeren Wellenlängen des Spektrums.

Als weiterer Beweis für die vorteilhaften Ergebnisse, die er-

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findungsgemäß erzielt wurden, wird der Sammlungswirkungsgrad Γ| (Sammlung) der erfindungsgemäßen photoelektrischen mehrschichtigen Halbleiteranordnung mit jenem der photoelektrischen Einrichtung nach dem Stand der Technik verglichen. Die Sammlungswirksamkeit wird wie folgt bestimmt:

« _ getrennte Elektron-Loch-Paare (29)

t-coll " erzeugte Elektron-Loch-Paare ...»

Es wurde gefunden, daß die Sammlungswirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung fast 100 %ig ist, wogegen die photoelektrische Anordnung nach dem Stand der Technik eine Sammlungswirksamkeit von etwa 72 % hat.

Ein weiterer Beweis für die erfindungsgemäß erzielten vorteilhaften Ergebnisse ist in der graphischen Darstellung gemäß Fig. 15 gezeigt. Diese graphische Darstellung zeigt den Wechsel oder die Änderung der relativen Ausgangsleistung der photoelektrischen Einrichtung bei Änderung der Umgebungsoder Raumtemperatur, Die Kurve 151 stellt die temperaturabhängige Ausgangseigenschaft einer Einrichtung nach dem Stand der Technik dar, wie z.B. der obenerwähnten Probe D, während die Kurve 152 die temperaturabhängige Ausgangscharakteristik der Probe E (Fig. 11) darstellt. Die entsprechenden Kurven sind für eine Temperatur von 2 5°C normalisiert. Wie ersichtlich, ist bei höheren Temperaturen der durch die erfindungs gemäs se mehrschichtige photoelektrische Einrichtung erzielte Ausgang bzw. die dadurch erzeugte Ausgangsleistung verhältnismässig stabil. D.h., die Änderung in dem Ausgang bei Erhöhung der Temperatur seheint im wesentlichen gleich Null zu sein. Der Ausgangsstrom der Einrichtung steigt mit dem Temperaturanstieg an, während die Ausgangsspannung sinkt.

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Ein weiterer Vergleich zwischen den Arbeitscharakteristiken der Einrichtung nach dem Stand der Technik, wie z.B. der Probe D, und der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie z.B. der Probe E (Fig. 11) ist in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Diese Zeichnungsfiguren zeigen das Verhältnis Spannung/Strom bei der Einrichtung nach dem Stand der Technik bzw, nach der vorliegenden Erfindung. Dieses Verhältnis ist in dem vierten Quadrant graphisch dargestellt, da der Ausgangsstrom als negativ bestimmt worden ist. Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung höhere Ausgangsströme und eine höhere Ausgangsspannung parallel mit einem entsprechenden Anstieg des Wirkungsgrades gegenüber dem bisher -Erreichten ermöglicht,

Das Verhältnis zwischen dem Relativausgang der photoelektrischen Einrichtung als Funktion der Wellenlänge des auffallenden Lichtes ist für verschiedene Einrichtungen in Fig. 18 gezeigt, Die Kurve 181 zeigt dieses Verhältnis für eine Einrichtung nach dem Stand der Technik, wie z.B. für die Probe D. Die Kurve 182 stellt dieses Verhältnis für die Ausführung nach der vorliegenden Erfindung bzw. für die Ausführungsform, welche unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben und dargestellt wurde, dar. Die Kurve 182 zeigt, daß, da die pn-Obergänge weiter von der Oberfläche des auffallenden Lichtes entfernt sind, ein maximaler Ausgang in Ansprechbarkeit auf Lichtenergie in dem höheren Wellenlängenabschnitt des Spektrums erhalten wird. Die Kurve 183 stellt das Verhältnis zwischen Ausgang und Wellenlänge für die Ausführungsform dar, welche unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben und dargestellt worden ist. Diese Kurve zeigt, daß, da sämtliche pn-Obergänge verhältnismässig nahe der Lichteinfallsoberfläche liegen, die Einrichtung gegenüber Licht, dessen Energie in dem unteren oder niedrigen Wellenlängenabschnitt des Spektrums liegt, äusserst empfindlich ist,

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und somit ihren höchsten Ausgangswert hat, wenn auf dieses Licht ansprechend. Die Kurve 184 stellt den Ausgang einer Siliciumeinrichtung dar, welche vier Schichten hat, wpbei jedoch die Innenschichten nicht mit einer Dicke versehen sind, welche kleiner als die Diffusionslänge des Minorität strägers ist, und welche die Transistortätigkeit nicht unterstützt. Somit ist die Dicke jedes Innenbereiches grosser als 300 »u, wobei die Summe der normalen Stromverstärkungsfaktoren ( ίΚ-njT + $-9N^ kleiner als die Zahl Eins ist. Dies ist selbstverständlich der vorliegenden Erfindung entgegengesetzt, bei welcher die Dicke jedes Innenbereiches kleiner als die Diffusionslänge des Minoritätsträgers ist und wobei die Summe der normalen Verstärkungsfaktoren annähernd 2 ist. Sämtliche in Fig. 18 gezeigten Kurven sind für ihre entsprechenden Maximalausgänge normalisiert worden.

Wie oben für die Ausfuhrungsform einer vierschichtigen Einrichtung beschrieben wurde, ist wünschenswert, daß jeder der umgekehrten Stromyerstärkungsfaktoren innerhalb des Bereiches 0,2 und 0,7 liegt. Es wurde durch Versuche gefunden, daß dann, wennO£ ^ annähernd 0,1 bis 0,2 ist, und U₂T annähernd 0,8 bis 0,9 ist, der Wirkungsgrad der photoelektrischen Anordnung annähernd 5 % beträgt. Der Einfluß der umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren wird somit ohne weiteres e.rsichtlich.

Bezugnehmend nun auf Fig. 19 wird die Art und Weise erläutert, auf welche der nicht-reflektive oder nicht zurückstrahlende Oberzug 9 ausgewählt worden ist. Um die-Reflexion des auffallenden Lichtes auf ein Minimum herabzusetzen und somit die optischen Verluste bei der photoelektrischen Anordnung zu reduzieren, soll der Brechungsindex η des Überzuges 9 wie folgt sein:

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η ² = η, η«, (30)

c 12

Vc °

worin η, der Brechungsindex der Siliciumschicht ist, auf welcher der Überzug 9 aufgetragen worden ist, während n2 der Brechungsindex der Luft, d die Dicke des Überzuges und λ die Wellenlänge des auffallenden Lichtes ist. Bei einer Ausfuhrungsform ist der Überzug 9 aus einer Mehrkristallsiliciumschicht gebildet, welche Sauerstoff in einer Menge von 65 Gew.% enthält. Der Brechungsindex η des Überzuges 9 kann von 1,44 auf 4,5 geändert werden, indem der Sauerstoffgehalt geändert wird. Die Mehrkristallsiliciumschicht kann auch Stickstoff enthalten. Hierbei ist zu beachten, daß über die Anordnung eines nicht reflektiven Überzuges hinaus die Mehrkristallschicht auch als eine Passivierungsschicht auf der Siliciumanordnung dient.

Während die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben und dargestellt wurde, ist für den Fachmann klar, daß die obigen und verschiedene weitere Abänderungen und Abwandlungen in der Gestalt von Einzelheiten möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung insbesondere der beigefügten Patentansprüche abzuweichen.

Ansprüche:

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Claims (1)

1. - i*2 -

   A nsprüche

   [ 1,yPhotoelektrische Halbleiteranordnung, die aus 2n-Schichten aus einem abwechselnd P Typ- und N Typ-Material gebildet ist und entsprechende pn-Obergänge zwischen benachbarten Schichten aufweist, worin η eine ganze Zahl bedeutet, welche größer als Eins ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht eine Dicke (W) aufweist, welche kleiner ist als die Diffusionslänge CL_n, L) eines darin befindlichen Minoritätsträgers, und daß die pn^Übergänge durch Licht erregt bzw. angeregt werden, welche auf die besagte Einrichtung fällt, um somit zu bewirken, daß Majoritätsträger in den besagten entsprechenden Schichten gesammelt werden, um somit sämtliche pn-Übergänge vorwärts vorzuspannen.

   Photoelektrische Halbleitereinrichtung- bzw. -anordnung nach Anspruch 1, bei welcher Sätze dreier aufeinanderfolgender Schichten aus einem Material des P Typs bzw, des N Typs entsprechende pnp- und npn-Transistoren bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor eine Injektion eines Minoritätsträgers an einem Übergang aus einer Schicht in die nächste aufeinanderfolgende Schicht herbeiführt, wobei der besagte Träger dann den nächsten Übergang kreuzt, um in die nächste aufeinanderfolgende Schicht CP₂, N₁, P₁J N₁, P₂, N₂J P₃, N₂, P₂i P₂, Ν_χ, Ρ_χ; Ν_χ, P₂,

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   N₀; N₀, P~i N₀) zu wandern.

   Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren, die Emitter als die Aussenschichten der Anordnung oder Einrichtung CP₁N₁P₂; N₃P₂N₁; N₃P₃N₃) haben, normale Stromverstärkungsfaktoren ^ijj» ο^μ> Fig· 3;oCjr) aufweisen, welche größer als 0,65 sind, sowie umgekehrte Verstärkungsfaktoren ( oL-j-; 0C2J» Q^iiT) innerhalb des Bereiches 0,2 bzw. 0,7.

   Photoelektrische Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Transistoren, welche keine Emitter als Aussenschichten der Einrichtung (N₁P₂N₂; P₂N₂P₃) haben, sämtliche Stromverstärkungsfaktoren Cq^_2n, Fig. 12;oC_3N; Oi₂I* °^3i^ innerhalb des Bereiches 0,2 bis 0,7 aufweisen.

   5. Photoelektrische Halbheitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge&snnzeichnet, daß eine der Aussenschichten (22, 25, 32, 35), eine Schicht aus Material gleichen Leitfähigkeitstyps und einer Störstoffkonzentration aufweist, welche größer ist als jene des besagten einen Aussen· bereiches (N+, P+), wie in die Aussenoberfläche desselben eindiffundiert, um somit einen L-H-Öbergang zu bilden.

   6, Photoelektrische Halbleitereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der besagten Aussenschichten (2 2, 25, 32, 35) eine Schicht eines Materials

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   gleichen Leitfähigkeitstyps und mit einer Störstoffkonzentration aufweist, welche größer ist als jene der besagten anderen Aussenbereiche CN+, P+), wie in die Aussenoberflache desselben eindiffundiert, um somit einen zweiten L-H-Übergang zu bilden.

   7, Photoelektrische HalbleitereUnrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der besagten Aussenschichten eine Unterlage oder einen Träger (32) aufweist, dessen Aussenoberflache auffallendes Licht aufnehmen oder empfangen kann, wobei die Dicke desselben annähernd 90 % der gesamten Dicke der Einrichtung beträgt und der besagte L-H-Übergang (38) im besagten Träger in einem Abstand von dem pn-übergang (J,) am besagten Träger liegt, der weniger als die Diffusionslänge eines Minorität strägers im besagten Träger ist.

   Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Aussenschichten einen Träger oder eine Unterlage (25) aufweist, deren Dicke annähernd 90 % der Gesamtdicke der Einrichtung hat, wobei die Aussenoberflache des besagten Aussenbereiches (2 2) auffallendes Licht empfangen kann, wodurch sämtliche pn-Übergänge (J., J₂, J₃) verhältnismässig nahe der besagten Oberfläche liegen, welche das Licht aufnimmt.

   9. Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Innenschichten (3, 4 3, 56) einen Träger aufweist, dessen Dicke größer

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   als 90 % der Gesamtdicke der Einrichtung ist.

   10, Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Licht auf die Aussenoberflache einer der Aussenschichten (5 2) fällt und daß die meisten der pn-Übergänge näher der Lichteinfallsoberfläche als die anderen der besagten Aussenschichten (57) angeordnet sind.

   11. Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Licht auf die Aussenoberflache einer der besagten Aussenschichten (2, 42) fällt und daß die meisten pn-Obergänge näher der anderen der besagten Aussenschichten (5, 47) als der Lichteinfallsoberfläche angeordnet sind.

   12. Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus vier Schichten gebildet ist, wobei aufeinanderfolgende Schichten des P Typs, N Typs und des P Typs einen pnp-Transistor (2, 3, 4) bilden, mit einem Stroraverstärkungsfaktor<^-_1N» der größer als 0,6 5 ist und mit einem umgekehrten Stromverstärkungsfaktor Oi₁J zwischen 0,2 und 0,7, so daß Strom von der äusseren P Typ-Schicht (2) abgeleitet wird, und daß aufeinanderfolgende Schichten des N Typs, P Typs und N Typs einen npn-Transistor (3, 4, 5) bilden, mit einem Stromverstärkungsfaktor(^₂Mi ^der größer als 0,65 ist und mit einem umgekehrten Stromverstärkungsfaktor oLj zwischen

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   0,2 und 0,7, so daß ein entgegengesetzter Strom von der äusseren N Typ-Schicht (5) abgeleitet wird.

   13. Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus sechs Schichten gebildet ist, wobei ein erster Satz aufeinanderfolgender Schichten des P Typs, N Typs und P Typs einen ersten pnp-Transistor (P₁N₁P₂) bilden, mit einem Stromverstärkung sfakt or o(, der grosser als 0,6 5 ist und mit einem umgekehrten Stromverstärkungsfaktor OC j zwischen 0,2 und 0,7, wobei ein erster Satz aufeinanderfolgender Schichten des N Typs, P Typs und N Typs einen ersten npn-Transistor (N₁P₉N₉) bilden, der einen Stromverstärkungsfaktor o^_9M und einen umgekehrten Stromverstärkungsfaktor o£_9T hat, wobei die beiden zwischen 0,2 und 0,7 liegen, und daß ein zweiter Satz aufeinanderfolgender Schichten des P Typs, N Typs und P Typs einen zweiten pnp-Transistor (P₂N-Pg) bilden, der einen Stromverstärkungsfaktor "⁰^Vf ^un<3 ^einen umgekehrten Stromverstärkungsfaktor oCqj hat, wobei die beiden zwischen 0,2 und 0,7 liegen, und daß ein zweiter Satz aufeinanderfolgender Schichten des N Typs, P Typs undN Typs einen zweiten npn-Transistor (N₃PoN₂) bilden, der einen Stromverstärkungsfaktor C^₁₄Vr hat, der größer als 0,6 5 ist, sowie einen umgekehrten Stromverstärkungsfakt or cJ-n j zwischen 0,2 und 0,7, wodurch die Aussenschichten des P Typs (P-.; 42; 57) und N Typs (N,; 47; 5 2) der besagten Einrichtung Strom einer Belastung oder einem Verbraucher, der daran angeschlossen ist, liefern können.

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   Photoelektrische Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Hauptoberfläche oder grössere Oberfläche (2, 22* 32, 42, 52) der Einrichtung auffallendes Licht aufnehmen oder empfangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt der besagten grösseren oder Hauptoberfläche einen auf dieseraufgetragenen nicht-reflektierenden Überzug (9) hat.

   15. Photoelektrische Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte eine Hauptoberfläche der besagten Einrichtung zusätzlich eine erste Elektrode daran (6) hat und daß die entgegengesetzte Hauptoberfläche der besagten Einrichtung eine zweite Elektrode (7) hat.

   16, Photoelektrische Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die entsprechenden Aussenschichten (2, 5; 22, 25; 32, 35; 42, 47; 52 57) dadurch gekennzeichnet sind, daß sie eine grössere Störstoffkonzentration als die Innenschichten haben.

   Dar Patentanwalt

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