DE2546232C2

DE2546232C2 - Halbleiter-Photozelle

Info

Publication number: DE2546232C2
Application number: DE2546232A
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Tokyo Mamine; Takeshi Sagamihara Kanagawa Matsushita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-10-19
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1983-01-20
Also published as: IT1048321B; US4015280A; DE2546232A1; JPS5146888A; FR2288398B1; JPS5758075B2; CA1050646A; GB1514548A; ATA800575A; NL184593C; FR2288398A1; NL7512243A; AU8570175A; AT348043B; NL184593B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht üch auf eine Halbleiter-Photozelle wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben.

Das Phänomen der Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie ^:xi schon lange bekannt. Photoelektrische Zellen oder Photozellen zur Ausübung dieser Funktion bestehen seit mehreren Jahren. Diese Vorrichtungen sind jedoch nicht ohne weiteres verwertet worden, da sie an einem geringen photoelektrischen Energieumsetzungswirkungsgrad und an einer geringen Sperrschichtenergiedichte leiden. Infolgedessen ist die durch derartige Photozellen erzeugbare elektrische Energie unerwünscht gering und für viele Verwendungszwecke ungeeignet.

Wie bekannt, besteht das Spektrum der Strahlungsenergie wie z. B. das Sonnenspektrum, aus verschiedenen Frequenzen oder Wellenklängen. Es ist auch bekannt, daß dann, wenn die im auffallenden Licht eingeschlossene Energie die Bandlückenenergie gewisser Halbleitermaterialien überschreitet, das Material ausreichend angeregt wird, so daß ein Elektron ausgestrahlt bzw. abgegeben oder zumindest freigegeben wird, um somit einen elektrischen Strom zu bewirken. Das heißt, wenn die Photoenergie hv. worin h das Plancksche Wirkungsquantum bedeutet und ν die Frequenz des auffallenden Lichts ist, über die Bandlük kernenergie E₁ hinausgeht, werden Elektronen im Valenzband des Halbleitermaterials in das Leitungsband hinein angeregt, um somit ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Diese Ladungsträger sind geeignet, einen Strom zu erzeugen.

Die meisten bisher bekannten Photozellen bestehen nur aus zwei Schichten, welch; aus einem einem N-Typ Material benachbarten P-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 wird.

Entsprechen«! dem bekannten photoelektrischen Phänomen hebt auffallendes Licht, dessen Energie hv ist, ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband

an, womit sich das obenerwähnte Elektron Loch-Paar bildet 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 Elektron-Loch-Paar, so daß das Elektron in der N-Typ-Schicht und das Loch in der P-Typ-Schicht gesammelt wird. Aufgrund dieser Ladungswanderung ist das Ferminiveau am PN-Übergang nicht kontinuierlich. Es besteht vielmehr ein Unterschied im Ferminiveau zwischen der P-Typ-Schicht und der N-Typ-Schicht, wodurch eine Sperrschichtausgangsspannung V₀ entsteht, welche diesem Unterschied proportional ist Diese Ausgangsspannung kann verwertet werden, indem eine geeignete Belastung bzw. ein geeigneter Verbraucher mit der Photozelle verbunden wird.

Eine Halble.ter-Photozelle ist verschiedenen Verlusten darin unterworfen, wovon manche herabgesetzt werden, wogegen andere theoretisch nicht reduziert werden könnea Diese Verluste sind wie folgt:

20 Optischer Verlust:

Das ist. der Verlust an Lichtenergie, der durch eine Reflexion an der Oberfläche der Photozelle und durch die Übertragung von Licht durch die Zelle hindurch ohne Absorption verursacht wird.

Quantenverlust (lange Wellenlänge):

Das ist der Verlust an Photoenergie, worin ν kleiner als die Bandlückenenergie E_g\st Quantenverlust (kurze Wellenlänge):

Das ist der Verlust an Photoenergie, die viel höher ist als die Bandlückenenergie und in Wärme umgesetzt wird. Die Umsetzung von Photoenergie in Wärme und nicht in elektrische Energie wird als Verlust betrachtet

Sammlungsverlust:

Das ist der auf die Rekombination von Minoritätsladungsträgern zurückzuführende Verlust welche, während sie zum PN-Übergang diffundierten, mit Majoritätsladungsträgern wiedervereinigt werden. Es ste*u fest daß ohne diese Rekombination die Diffusion der Minoritätsladungsträger als Nutzstrom abgeleitet werden kann. Potentialfaktorverlust:

Das ist der Verlust der durch den Abfall der Potentialenergie eines Ladungsträgers verursacht wird, wenn der Ladungsträge den PN-Übergang durchquert

Impedanzfaktorverlust und hier näher der Verlust des Impedanzfaktors betreffend das Verhältnis des Scheinwiderstandes zum Wirk'viderstand: Das ist der Verlust an Energie, der durch den Innenwiderstand der Photozelle und den Reststrom am PN-Übergang verursacht wird.

Obwohl die meisten bekannten Halbleiter- Photozellen nur aus zwei Schichten gebildet sind, sind photoelektrische Mehrfachübcrgangszellen in der DD-PS 84 237. in Proceedings of the IRE. Band 48. No. 7, 1960, Seite 1246-1263 und in der US-PS 3186 873 beschrieben worden.

Eine Halbleiter-Photozelle der eingangs genannten Bauart ist aus der DD-PS 84 237 bekannt. Eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit soll bei dieser bekannten Halbleiter-Photozelle durch zusätzliche »geometrische« Maßnahmen hinsichtlich der Lichtführung bzw. des Aufoaus der Photozelle erreicht werden in der Weise, daß di? für die Belichtung bestimmte Oberfläche zumindest eine Vertiefung aufweist. Zur weiteren Steigerung der Lichtempfindlichkeit ist vorgesehen, bei einer PNPN-Mehrschichtkonfiguration ein Loch mit «on Schichtpaar zu Schichtpaar abgestuft sich verringerndem Lochquerschnitt anzubringen, wodurch eine gleichzeitige direkte Beeinflussung von verschiedenen PN-Übergängen bei Belichtung ermöglicht werden soll Ein derartiger Aufbau ist technisch kompliziert und entsprechend schwierig zu realisieren.

In der Druckschrift »Proceedings...« ist insbesondere in Fig. 12C eine Photozelle mit PNPN-Übergang angegeben, wobei der mittlere Übergang aus einer Metallschicht gebildet ist um zu erreichen, daß die an den Außenelektroden abnehmbare Gesamtspannung höher als die durch einen einzigen PN-Übergang erzielbare Ausgangsspannung ist Die genannte US-PS setzt dieses Konzept aus »Proceedings ...« fort und sieht vor, anstelle der erwähnten Metallschicht einen PN-Übergang zu verwenden, bei dem die Diffusionslänge geringer als die Dicke der einzelnen P- bzw. N-Schichton ist

Außerdem ist bei der Diode · rjh dieser US-PS vorgesehen, daß der Bandabstand ν jn Schicht zu Schicht abnimmt

Weiteren Stand der Technik repräsentiert die US-PS 36 82 708. Um eine möglichst große Fläche, hier allerdings nur eines einzigen PN-Überganges zu erreichen, ist in dieser US-PS 36 82 708 vorgesehen, diesen PN-Übergang »aufzuwickeln«. Auch diese Druckschrift beschreibt einen komplizierten Aufbau, der einen hohen Herstellungsaufwand erfordert

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Photozelle der aus der DD-PS 84 237 bekannten Bauart dahingehend zu verbessern, daß sie einen erhöhten Wirkungsgrad bei dennoch nicht zusätzlich kompliziertem technologischen Aufbau — wie z. B. Anbringung eines abgestuften Loches — aufweist

Ausgehend von dem Vorschlag nach »Proceedings ...«, jedoch abweichend von dem diesen Vc rschlag weiterbildenden Lösungswege nach der US-PS 31 86 873, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe für eine Halbleiter-Photozelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs I gelöst Aus den Unteransprüchen gehen Ausgestaltungen der Erfindung hervor.

Die erfindungsgemäße Photozelle weist eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß geringer Wirkungsgrad und geringe Energiedichte bekannter Halbleiter-Photozellen im Sammlungs- bzw. Rekcmbinationsverlust liegt. Obwohl der ?N-Übergang durch auffallendes Licht zur Erzeugung von Löchern und Elektronen angeregt wird, wird die Injektion eine-.» Minoritätsladungsträgen (z. B. eines Loches) in einen Bereich (z. B. N-Typj zur HerbeifüN-rung eines Diffusionsstromes in diesem Bereich oft durch die Wiedervereinigung des Minoritätsladungstrügers (Loches) mit einem Majoritätsladungsträger (Elektron) drastisch eingeschränkt. Wird aber dies? Rekombination auf ein Minimum herabgesetzt so kann der Diffusionsstrom zur Ausgangsleistung, welche durch die Photozelle erzielt wird, wesentlich beitragen.

Erfinüungsgemäl ist eine Halbleiter-Photozclle aus In Schichten abwechselnd P-Typ-Materials und N-Typ-Materials aufgebaut, worin η eine ganze Zahl, die größer als 1 ist, bedeutet und worin die benachbarten

■ Ρ-Τγρ-Materialien und N-Typ-Materialien PN-Übergänge bilden. Dabei hat jede innere Schicht eine Dicke, welche kleiner als die Diffusionslänge darin befindlicher Minoritätsladungsträger ist, so daß dann, wenn die PN-Übergänge durch Licht angeregt werden, welches auf die Photozelle auffällt. Elektronen in dem N-Typ-Material auf der einen Seite eines PN-Überganges und Löcher in dem P-Typ-Material auf der anderen Seite des Oberganges gesammelt werden, um somit sämtliche PN-Übergänge in Flußrichtung vorzuspannen. Infolge der Vorwärtsvorspannung der PN-übergänge findet Transistortätigkeit in jedem Satz dreier aufeinanderfolgender Schichten statt, so daß ein Ladungsträger 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 der Halbleiter-Photozelle 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 Ladungsträgerwanderung an einem PN-Übergang;

Fig. 2A — 2D eine schematische Ansicht der Geschehnisse an entsprechenden PN-Übergängen in einer Mehrschichten-Photozelle sowie eine schematische Ansicht eines äquivalenten Stromkreises zur Beschreibung dieser Geschehnisse;

Fig. 3 die Erläuterung dazu, wie Ausgangsleistung durch eine Halbleiter-Photozelle erzeugt wird:

Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Mehrschichten-Halbleiter-Photozelle;

Fig. 5-8 die Art und Weise, auf welche die Ausführungsform nach F i g. 4 hergestellt wird;

Fig. 9—il Alternativ-Ausführungsformen einer Mehrschichten-Halbleiter-Photozelle:

Fig. 12 die Art und Weise, in welcher elektrische Energie durch eine alternative Ausführungsform einer Halbleiter-Photozelle erzeugt wird:

Fig. 13 eine weitere Ausführungsform einer Halbleiter-Photozelle:

Fig. 14 einen graphischen Vergleich des verbesserten Wirkungsgrades, welcher durch die erfindungsgemäße Halbleiter-Photozelle erzielt wird, mit dem Wirkungsgrad der Einrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 15 einen graphischen Vergleich der relativen Stabilität der Ausgangsleistung, die durch die erfindungsgemäße Halb'eiter-Photozelle erzeugt wird, während sich die Umgebungs- bzw. Raumtemperatur ändert;

Fig. 16 und 17 graphische Darstellungen des Verhältnisses Spannung/Strom einer Photozelle nach dem Stand der Technik bzw. der erfindungsgemäßen Halbleiter-Photozelle:

Fig. 18 eine graphische Darstellung des Verhältnisse zwischen der Ausgangsleistung, welche durch eine Photozelle in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auffallenden Lichts erzeugt wird, wobei die verbesserten erfindungsgemäß erzielten Ergebnisse dargestellt sind: und

Fig. 19 eine schematische Ansicht der besonderen Art eines optischen Überzuges, der auf die Halbleiter-Photozeile aufgetragen ist.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen stellt F i g. 1 die Ladungsträgerwanderung an einem PN-Übergang /dar.

der durch P-Typ- und N-Typ-Material gebildet ist. Wird nun angenommen, daß das auffallende Licht eine Photoenergie In hat, welche die Bandlückenenergie E_f überschreitet, so wird ein Elektron in dem P-Typ-Material aus dem Valenzband £V zum Leitungsband E^ wie gezeigt, angeregt, um ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Wie bekannt, wandern die Elektronen im Leitungsband E_c in dem P-Typ-Matcrial zum PN-Übergang / und fallen in das N-Typ-Material. Auf ähnliche Weise kommen die Löcher im Valenzband E_v in dem N-Typ-Material am PN-Übergang / in das P-Typ-Material hinein. Dies wird in Fig. 1 mit ganzen Linien gezeigt. Dieser Drift-Strom verursacht einen Unterschied in der Ladungsträgerkonzentration am PN-Übergang / Infolge dieses Unterschiedes der Ladungsträgerkonzentration wird ein Diffusionsstrom gebildet, wodurch Elektronen 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 F i g. 1 durch gestrichelte Linien gezeigt. Wie dargestellt ist der Drift-Strom in der Richtung entgegengesetzt zum Diffusionsstrom.

Wenn sich der Drift-Strom und der Diffusionsstrom miteinander im Gleichgewicht befinden, so besteht eine Ausgangsspannung V₀ zwischen P-Typ- und N-Typ-Material. Während die Wanderung der Ladungsträger in dem Dri^ft-Strom verwendet werden kann, um einen AusgangsMrom aus der Phctozelle zu erhalten, vereinigen sich die Ladungsträger, die als Minoritätsladungsträger injiziert worden sind, schließlich wieder; d. h. die Elektronen, welche in das P-Typ-Material injiziert worden sind, rekombinieren mit einem Loch darin wieder, wobei die Löcher, die in das N-Typ-Material injiziert worden sind, sich mit den Elektronen darin wieder vereinigen. Infolge dessen kann der Diffusionsstrom im allgemeinen nicht verwertet werden, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen. Da nützliche Ergebnisse aus dem Diffusionsstrom nicht ohne weiteres erhalten werden können, ist ersichtlich, daß der gesamte photoelektrische Wirkungsgrad der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung vermindert ist Da ferner der Diffusionsstrom sich mit dem Anstieg der Raumtemperatur vergrößert, führt die Rekombination der injizierten Minoritätsladungsträger mit Majoritätsladungsträgern zu einer effektiv weiteren Abnahme des photoelektrischen Wirkungsgrades.

Nun werden die mechanischen Gegebenheiten der Ladungsträgerwanderung in einer aus vier Schichten bestehenden Photozelle unter Bezugnahme auf die F i g. 2A - 2D beschrieben. Es sei angenommen, daß die in Fi g. 2A gezeigte Photozelle 1 eine PNPN-Photo—'.1Ie ist, die aus einer ersten P-Typ-Schicht P₁, einer ersten N-Typ-Schicht Nu einer zweiten P-Typ-Schicht P₂ und einer zweiten N-Typ-Schicht N₂ besteht welche die PN-Übergänge /1 bzw. J₂ und /3, wie gezeigt bilden. Die Dicke bzw. Breite der entsprechenden Schichten P_u /V₁, P₂, N2, sind mit W₁ bzw. W₂ bzw. W} bzw. W4 angegeben. Fig.2B zeigt die Bandenergie der entsprechenden Schichten der Photozelle 1 in Abwesenheit von auffallendem Licht. Das Niveau £> zeigt das Ferminiveau, während E_c das niedrigere Niveau des Leitungsbandes und Ey das höhere Niveau der Valenzbänder ist Wenn nun Licht auf die /»!-Schicht wie in Fig. 2C gezeigt fällt so werden Elektronen in den Valenzbändern £v zum Leitungsband E_c angeregt werden, vorausgesetzt daß die Photoenergie die Bandiückenenergie überschreitet Diese Anregung von Elektronen bildet Elektron-Loch-Paare. Es ist ersichtlich, daß die

Löcher, die in der Pi-Schicht gebildet werden, darin verbleiben, wogegen die Elektronen in dem Leitungsband »bergab« in die Λ/ι-Schicht unter dem Einfluß des elektrischen Feldtsam PN-Übergang J\ wandern.

Auf ähnliche Weise werden Elektron-Loch-Paare in jeder der Schichten /Vi. P₂ und N₂ gebildet. Elektronen verbleiben in den N-Typ-Schichten, während die Löcher darin rsergauf« in die benachbarten P\- und /^-Schichten unter dem Einfluß des elektrischen Feldes an den entsprechenden PN-Übergängen wie in Fig. 2C gezeigt, wandern. In der /VSchicht. wände"'! die in den Elektron-Loch-Paaren gebildeten Elektronen »bergab« in die N₁- und ^-Schichten, während die Löcher in der /VSchicht verbleiben. Aufgrund dieses Phänomens sammeln sich Elektronen in den /V₁- und ^-Schichten. wie sich Löcner in den Pi- und P2-Schichten als Majoritätsladungsträger darin sammeln.

Es wird daran erinnert, daß diese Sammlung von Majoritäisladungsträgern in d?n entsprechenden Schichten einen Unterschied in der Ladungsträgerkonzentration verursacht, welcher ausreicht, um Minoritätsladungsträger in eine Schicht zu injizieren. Das heißt, die Elektronen werden an PN-Übergängen J₁ und /? aus der NpSchicht in die P\- bzw. P2-Schichten als Minoritätsiadungsträger injiziert. Auf ähnliche Weise werden Elektronen am PN-Übergang /3 aus der N₂-Schicht in die P2-Schicht als Minoritätsladungsträger injiziert. Auch werden Löcher in die entsprechenden Ni- bzw. N₂-Schichten als Minoritätsladungsträger durch die benachbarten P-Typ-Schichten injiziert. Ein Problem der .'hotozellen nach dem Stand der Technik besteht darin, daß diese injizierten Minoritätsladungsträger, welche einen Minoritätsladungsträger-Diffusionsstrom erzeugen, sich mit den Majoritätsladungsträgern wiedervereinigen, um den photoelektrischen Wirkungsgrad der Zelle herabzusetzen. Dieses Problem wird dadurch überwunden, daß die Breite W₂ der /Vi-Schicht und die Breite Wj der P₂-Schieht. wobei die beiden Schichten innere Schichten der Photozelle 1 sind, so gewählt werden, daß sie geringer als die Diffusionslänge der darin befindlichen Minoritätsladungsträger sind. Somit ist die Breite W₂ geringer als die Diffusionslänge L_p der Löcher, die in die Λ/ι-Schicht injiziert wurden, und die Breite VVj geringer als die Diffusionslänge Ln der Elektronen, welche in den /VSchicht injiziert wurden. Die Diffusionslänge wird durch die Quadratwurzel des Produktes der Lebensdauer des Minoritätsladungsträgers und einer Diffusionskonstante des Minoritätsladungsträgers bestimmt. Somit können die entsprechenden Breiten der inneren Schichten der Photozelle 1 durch die nachfolgenden mathematischen Ungleichungen dargestellt werden:

W₂ < Lp =

(D (2)

55

worin Dp und Dn die Diffusionskonstanten der Minoritätsladuugsträger (Löcher bzw. Elektronen) in der /Vi- und PrSchicht und r_p und τ_Ν die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der /Vi- bzw. /VSchjcht sind. Infolge der Vorwärtsvorspannung der PN-Übergänge J\, Ji und /3 aufgrund der Majoritätsladungsträgeransammlung in den entsprechenden Schichten und infolge der Tatsache, daß die Dicken der inneren Schichten der Photozelle 1 geringer als die entsprechenden Minoritätsladungsträgerdiffusionslängen sind, wird die TransistortiUigkeit in der Photo/.elle 1 möglich gemacht. Das heißt, die Elektronen in der Ni-Schicht werden in die /VSchicht injiziert und überqueren diesen Bereich, um den PN-Übergang /j zu überqueren, und wandern dann in die Λ/2-Schicht. Diese Bewegung der Klektronen an den PN-Übergängen /> und /j erfolgt aufgrund der Transistortätigkeit, so daß ein NPN-Tninsistor als auch einem Emitter /Vi. eine Basis Pi und einem Kollektor N₂ gebildet betrachtet werden kann.

Eine ähnliche Transistortätigkeil findet statt, um eine Loch aus der /VSchicht in die /VpSchicht zu injizieren. worauf dieses Loch dann die N_r Schicht als Diffusionsstrom und dann den PN-Übergang /1 überquert und in die Λ-Schicht wandert. F.s kann also so betrachtet werden, daß ein PN P-Transistor gebildet wird, der einen Emitter aufweist, welcher der PvSchieht entspricht, sowie eine Basis, welche der Ni-Schicht und einen Kollektor enthält, welcher der Pi-Schicht entspricht. Es ist also ersichtlich, daß clic Transistor-Tätigkeit Majoritätsladungsträger aus den einsprechenden inneren Schichten N\ und P₂ /Ai den außcnliegenden Schichten /V₂ bzw. Pi transportiert.

Die wirksamen PNP und NPN-Transistoren. die soeben beschrieben wurden, sind als die äquivalenten Transistorschaltungen in Fig. 2D gc/.eigt. Der Transistor Tn entspricht dem PNP-Transistor. der aus den Schichten P2, Ni und Pi gebildet ist. während der Transistor Tr₂ dem NPN-Transictor N₁. P₂ und /V. entspricht. Die Stromquellen Si —Sj entsprechen den PN-Übergängen /1 -Jy

Betrachtet man die Arbeitsweise der in Fig. 2D gezeigten äquivalenten Schaltung, so verursacht das auffallende Licht, daß die Stromquelle Si Löcher der Ausgangsklemme Ti liefert. Elektronen, die in die /Vi-Schicht wandern, werden zur /V2-Schicht 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 die Pz-Schicht aus der /Vi-Schicht wandern, zur Pi-Schicht durch den Transistor Γη transportiert und an der Ausgangsklemme Γι abgeleitet werden. Auch Elektronen, die in die Ni-Schicht aus der P₂-Schicht wandern, werden durch den Transistor Tr₂ zur /V2-Schicht transportiert und an der Ausgangsklemme Γ2 abgeleitet. Schließlich betätigt das auffallende Licht die Stromquelle S3, um Elektronen der Ausgangsklemme Γ2 zuzuführen. Löcher, welche aus der /V₂-Schicht in die P₂-Schicht wandern, werden durch den Transistor Tn zur Pi-Schicht transportiert und an der Ausgangsklemme Γι abgeleitet.

Die Ladungsträgerströme durch die in den F.g.2A-2C gezeigte und in Verbindung mit der äquivalenten Transistorschaltung der Fig.2D kurz beschriebene Photozelle 1 hindurch werden nun im Zusammenhang mit der Dartstellung der Fig.3 mathematisch erläutert. Es sei angenommen, daß die aus vier Schichten bestehende Photozelle mit einer Belastung bzw. einem Verbraucher verbunden wird und daß Strom durch den Verbraucher hindurchströmt Die Positivrichtung dieses Stromfußes erfolgt in der x-Richtung. Da drei aufeinanderfolgende Schichten (P, N, P₂ und /V₂P₂M) die Transistortätigkeit unterstützen, kann der Gesamtstrom, der einen PN-Übergang überquert, als aus einzelnen Komponenten bestehend betrachtet werden, die aus einer Injektionsstromkomponente, einer Transistor-Koiiektor-Stromkomponente und einer Sperrschicht-Stromkomponente bestehen. Dementsprechend kann der den PN-Übergang /_;

überquerende Strom /ι mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

10

Der erste Begriff dieser Gleichung stellt den Injektionsstrom sowohl von Löchern als auch von Elektronen dar, während der zweite Ausdruck den Lochkollektorstrom des Transistors PiN \ Pi darstellt, worin die /VSchicht dem Transistor-Emitter und die fi-Schicht dem Transistor-Kollektor entspricht, wäh h ~

Γ (iV\
L^exp \Μτ

exp

rend der dritte Ausdruck dem Sperrschichtstrom entspricht, der aus Elektronen und Löchern besteht.

Auf ähnliche Weise kann der den PN-Übergang J₂ überquerende Strom I₂ mathematisch analysiert werden, um den mathematischen Ausdruck zu bilden:

(4)

Der erste Begriff dieses mathematischen Ausdruckes worin die ^-Schicht der Transistor-Emitter und die

steiit den Lochkoiiekiursiruiii des
dar, worin die fi-Schicht der Transistor-Emitter und die /^-Schicht der Transistor-Kollektor ist. Der zweite Begriff der Gleichung (4) stellt den Injektionsstrom sowohl von Elektronen als auch von Löchern dar. Der dritte Ausdruck der Gleichung (4) stellt den Elektron-Kollektor-Strom des Transistorstromes N]P₂N₂ dar.

der Trunsisior-Kcücktor is'. Πργ vierte

Ausdruck der Gleichung (4) stellt schließlich den Sperrschichtstrom dar. der aus Elektronen und Löchern besteht.

Der den PN-Übergang /ι überquerende Strom Λ kann gleicherweise entsprechend der nachfolgenden Gleichung mathematisch analysiert werden:

-11-43.

Der erste Ausdruck der Gleichung (5) stellt den Elektron-Kollektorstrom des Transistors N\P₂N₂ dar. worin die /Vi-Schicht der Transistor-Emitter und die Λ/i-Schicht der Transistor-Kollektor ist. Der zweite Ausdruck der Gleichung (5) stellt den Injektionsstrom am PN-Übergang /< dar. Der dritte Ausdruck dieser Gleichung stellt den Sperrschichtstrom dar.

Bei jeder der Gleichungen (3), (4) und (5) sind die nachfolgenden Definitionen und Konvention■·■ angenommen:

I·, ■ U₂ und Λ,_; Melien die entsprechenden absoluten Werte der Sätiigungsströmc dar. welche durch die PN-i'bcigänge /. bzw. J₂ bzw. /jfließen.

// ι. //: und // : stellen die absoluten Werte der Sperrschichtströme dar. welche durch die entsprechenden PN-Übergänge fließen. Der Sperrschichtstrom entspricht dem oben erwähnten Drift-Strom und kann als Form eines Stromes mit »photomotorischer« Kraft angesehen werden.

V;. V₂ und Vi stellen die Spannungen an den entsprechenden PN-Übergangszonen mit positiven Polaritäten entgegengesetzt der Richtung .v dar.

\ ν stellt den normalen Stromverstärkungsfaktor des PNP-Transistors dar. dessen Emitter die Pi-Schicht ist. Der StromfluB in diesem PNP-Transistor ist

40

45

durch den entsprechenden Pfeil in Fig. 3 dargestellt.

(\>v stellt den normalen Stromverstärkungsfaktor des npn-Transistors dar. dessen Emitter die ^-Schicht ist. Der Stromfluß in diesem N PN-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil gezeigt,
stellt den umgekehrten Stromverstärkungsfaktor des PNP-Transistors dar. dessen Emitter nun die P₂-Schicht ist. Der Stromfluß durch diesen PNP-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet.

stellt den umgekehrten Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors dar. dessen Emitter die Λ/i-Schicht ist. Der Stromfluß durch diesen NPN-Transistor ist wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet.

stellt eine Konstante dar. die durch den Zustand der PN-Übergangszone bestimmt ist und ist gleich Eins oder größer als Eins,
ist die Boltzmann'sche Konstante,
ist die elektrische Ladung eines Elektrons,
ist die absolute Temperatur.

Λ2/

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

l-ffi/0

O-a-2/1

'L2

-I₁

'L3

11 12

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

Z₁=Z₂= Z₃=/.

Der durch die Photozelle erzeugte Strom /ist, wie ersichtlich, negativ.

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

l-a„0

<X\N~ 1 ^alN

Q-a₂,\

I'+I₁.

Die Matrixgleichung (8) ermöglicht es, die entsprechenden Übergangsspannungen V₁, V₂ und V_} zu bestimmen. Ds die durch die Photf eile erzeugte Ausgangsspannung V wie folgt ist:

wird dann die Gesamspannung V mathematisch wie folgt ausgedrückt:

AkT [-,__ f (1 - au+ °u ' aiN~ am ' g2/) I⁺ (1 ~ ais ' g2;) 4i + au ' 42 + "u ' g2Af' Iu

K =

(1 - a\N ■ au—

/ (gi\+ aiN- 1)

1 Ti

41 + 42 + ciiN ■

Ti w

U ~ «ιλ " au~ a₂N · au) /

,

52

1 '

_{+ log} |(l-g2/-gi,V gi/+g|, I

(1 -ff]^· a_u-a_2N- a₂i) /

53 43 , Λ~\ Jj'

(10)

Die in Klammern befindlichen Ausdrücke entsprechen den PN-Übergangszonenspannungen Vi bzw. V₂ bzw. V₃.

Es ist erwünscht, einen möglichst hohen Wert der Spannung V zu erzielen, so daß die Photozelle 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 (1—oti/v · OLu-<*2n ■ «2/) so nahe an Null wie möglich sein. Da ferner der Totalstrom / negativ ist, hat die Spannung V einen höheren Wert, falls der Ausdruck (ici\+a2N—1) in dem mathematischen Zähler des zweiten in Klammern befindlichen mathematischen Gliedes ein großer positiver Wert ist. Diese Bedingungen sind wie folgt mathematisch ausgedrückt:

t —IX\N ■ 0LU—0L2H

Λ1Ν+Λ2Λ/— 1 >0

(H) (12)

Es ist bekannt, daß der Stromverstärkungsfaktor *. nicht größer als Eins sein kann. Dementsprechend zeigt die in (12) ausgedrückte Ungleichheit an, daß es erwünscht ist, daß jeweils Λι/vbzw. oljn gleich, und zwar annähernd gleich Eins ist. Wenn diese Bedingung in die Gleichung (11) substituiert ist, hi ersichtlich, dab wünschenswert oc\; +■ X21 — ί -

Kin angenähert=! (13)

«2/v angenähert = ! (14)

Diese Werte für die entsprechenden normalen und umgekehrten Stromverstärkungsfakior:ri, -^-'ehe mathematisch bestimtni «orden sind, stimmen auch -rdenjenigen Werten der Stromverstärkungsfaktoren überein, welche durch Versuche bestimmt worden sind. Diese experimentell bestimmten Werte sind wie folgt:

40 0.2 < A_1/= 0.7

(15) (16)

Der normale Stromverstärkungsfaktor («i/v, Λ>,ν) eines Transistors, bei dem der Transistoren^! τ die äußerste Schicht ist, ist bei einer erfindungsgemäßen Mehrschichtenkonfiguration wünschenswert angenähert gleich 1, 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 Mehrschichten-Photozelle sich die äußerste Schicht auf die Schicht bezieht, aus welcher der Ausgangsstrom oder der photoleketrische Strom abgeleitet wird.

•55 Die obigen gewünschten Werte der entsprechenden normalen und umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren, die zu einer höheren Ausgangsspannung der Mehrschichten-Photozelle führen, werden in der physikalischen Konstruktion der Ausführungsform nach F i g. 4 erhalten. Diese hier dargestellte Mehrschichten-Halbleiter-Photozelle 1 beste!-! aus einer P+ -Typ-Schicht 2, einer N-Typ-Schicht 3, einer P-Typ-Schicht 4 und einer N+-Typ-Schicht 5. Die äußeren P + - und N+ -Schichten 2 und 5 sind r.;it Elektroden 6 bzw. 7 versehen. Wie eeiejff*. k*>;in die Elektrode 6 eine gerippeäbnlichi oder fisd.örätenähnliche Form mit "inem daLp^e■■: '.rs'bereick und sich erstreckenden ■■x^wuc-.r.i·. Teil-— annehmer. Auch andere Gestalten

können selbstverständlich verwendet werden. Ungeachtet der bestimmten Gestalt der Elektrode 6 muß auffallendes Licht geeignet sein, in die Photozelle übertragen zu werden oder muß darin eindringen können. Ein nicht reflektierender Oberzug 9 ist auf der Außenoberfläche du· Schicht 2 vorgesehen, um somit optische Verluste auf ein Minimum herabzusetzen. Es ist ersichtlich, daß der Oberzug 9 auf einer größeren oder Kauptoberfläche der Mehrschichten-Photozelle 1 vorgesehen ist

Die aufeinanderfolgenden Schichten aus Material mit abwechselnder Leitfähigkeit bilden entsprechende PN-Obergänge /i, /> und h zwischen benachbarten Schichten von Material mit entgegengesetzter Leitfähigkeit

Kurz gesagt wird während der Herstellung der Photozelle 1 ein Substrat entsprechend der Schicht 3 zunächst vorgesehen, worauf die verschiedenen anderen Schichten darauf gebildet werden. Um das Substrat mit geeigneten Bearbeitungseinrichtungen mechanisch zu behandeln, muß dieses eine ausreichende Dicke haben. Dementsprechend hat das N-Typ-Substrat 3 bei einer Ausführungsform eine Dicke von 200 μη». wr!che. was berücksichtigt werden soll, geringer als die Diffusionslänge des Minoritätsladungsträgers (Loches) darin ist welche annähernd 300 μπι ist. Das Substrat hat eine Störstellenkonzentration von 3 χ 10'³ Atome/cm^J.

Die P+ -Schicht 2 ist in einer Oberfläche des N- 'yp-Substrats 3 eindiffundiert und hat eine Dicke von annähernd 03 μιη und eine Störstellenkonzentration von 10²⁰ Atome/cm³. Die P-Typ-Schicht ist auf der Außenoberfläche des N-Typ-Substrats 3 epitaxial aufgetragen und hat eine Dicke von annährend 5 μπι und eine Störstellenkonzentration von 10" Atome/cm³. Die N + -Schicht 5 ist in die freigelegte Oberfläche der P-Typ-Schicht 4 eindiffundiert und hat eine Dicke von annährend 2 μπι und eine Störstellenkonzentration von 10²¹ Atome/cm^J.

Wie soeben erwähnt ist die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger (Löcher) in dem N-Typ-Substrat größer als 300 μπι. so daß die Dicke den Substrats 3 kleiner als diese Diffusionslänge L_p ist. Da die Diffusionslänge L_n der Minoritätsladungsträger (Elektronen) in der P-Typ-Schicht 4 größer als 100 μιη ist ist zu berücksichtigen, daß die Dicke der Schicht 4, welche als annährend 5 μπι betragend beschrieben wurde, wesentlich kleiner als diese Diffusionslänge des Minoritätsladungsträgers ist. Bei der dargestellten Ausführungsform können die Schichten 2. 3 und 4 als einen PNPTransistor darstellend und die Schichten 3,4 und S als einen NPN-Transistor darstellend betrachtet werden. Die normalen Verstärkungsfaktoren a_t* und t;v dieser entsprechenden Transistoren sind jeweils annährend 0.95. während die umgekehrten Verstärkungsfaktoren tu und am dieser entsprechenden Transistoren jeweils annährend 0.47 sind.

Während Strom durch die entsprechenden PN-Übergänge /ι. h und /3 fließt, sammeln sich sowohl die Majontätv als auch die Minoritätsladungsträger in den Schichten, wodurch dort eine l.eitfähigkeitsmodulation verursacht wird. In dem Zustand niedriger Injektion, d. h. dann, wenn der Injektionsstrom eine verhältnismäßig niedrige Dichte hat, kann die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger durch die nachfolgenden Gleichungen dargestellt werden:

(17)

r.=

R{P+N)

(18)

worin PdIe Locherkonzentration, N die Elektronenkon zentration, Δ C die Veränderungen der ladungsträger- konzentration und R der Rekombinationsfaktor ist Es wird darin erinnert, daß eine Abhängigkeit zwischen der Minoritätsladungsträgardiffusionslänge und der Minoritätsladungströgerlebensdauer besteht

In dem Zustand hoher Injektion, d. h. dann, wenn der Injektionsstrom eine hohe Dichte aufweist findet eine Leitfähigkeitsmodulation statt, wobei die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger die Tendenz zeigt sich zu erhöhen, um somit größer als der Wert zu sein, der in der Gleichung (18) ausgedrückt ist Die oben beschriebenen Gleichungen (1) und (2) können verwendet werden, um die Minoritätsladungsträgerlebensdauer im Zustand hoher Injektion auszudrücken. Obwohl die Fertigung der Mehrschichten-Photozelle 1 kurz beschrieben wurde, wird nun auf die F i g. 5 — 8 in Zusammenhang mit der nachfolgenden näheren Erläuterung des Herstellungsverfahrens Bezug genommen. Das N-Typ-Substrat das in Fig.5 gezeigt ist. hat eine Dicke von annähernd 200μιτι und ist poliert Eine P-Typ-Schicht 8. welche schließlich die Schicht 4 bildet, wird in eine Schicht des Substrats durch Bordiffusion bis zu einer Tiefe von etwa 10 μπι eindiffundiert. Wechselweise kann die Schicht 8 auf die Oberfläche des Substrats epitaxie, aufgetragen werden. Dann wird Phosphor in die freiliegende Oberfläche der P-Typ-Schicht 8 eindiffundiert um somit eine N + -Schicht S zu bilden, welche eine Dicke von annährend 3 μπι und eine S>örstellenkonzentration von I0²¹ Atome/cm³ aufweist (Fig 6).

Bor wird in die entgegengesetzte Oberfläche des Substrats 3 eindiffundiert um eine, wie in F i g. 7 gezeigt, dünne P + -Schicht 2 zu bilden. Dann wird die Elektrode 6. welche beispielsweise aus Aluminium besteht, auf die P+ -Schicht 2 in der Konfiguration, wie in Fig.4

gezeigt aufgetragen. Der nicht reflektierende Überzug 9 von annähernd 65 nm Dicke wird auf die verbleibende Oberfläche der Schicht 2 aufgetragen. Der Gesamtober flächenbereich der in F i g. 8 gezeigten Photozelle kann groß sein, wobei viele Elektrondenkonstruktionen 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, und zwar in einzelne Mehrschichten-Halbleiter-Photozellen. Bei einer Ausfüh- rungsform ist jede Photozelle mit einer Oberfläche von 8 mm² versehen.

Falls die in F i g. 5 gezeigte Schicht 8 auf dem Substrat 3 epitaxial aufgetragen worden ist. kann die Umgebung des PN-Überganges/2.der / *ischendem Substrat 3 und

der Schicht 8 gebildet wird, leicht dotiert werden. Eine niedrige Dotierungskonzentration von 10" bis 10" Atome/cm* ist wünschenswert. Bei dieser niedrigen Dotierungskonzentration können die umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren I₁/ und «2/der Mehrschicht-Pho- tozelle ohne weiteres auf einen Wert von 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 hochdotiert worden sind, so kann auch der normale Stromverstärkungsfaktor «i/v bzw. /X₂N ohne weiters dem Wert Eins angenähert werden. Wie oben beschrieben, verbessert dieser Wert der normalen Stromverstärkungsfaktoren

den Wirkungsgrad einer Photozelle und erhöht die dadurch erzeugte Ausgangsspannung,

Bei der gerippeartigen oder fischgrätenartigen bzw. kammfönnigen Gestalt der Elektrode 6 können die seitlichen Rippen eine Breite innerhalb des Bereiches ϊ von 50-200 μπι aufweisen. Diese Form ist insofern vorteilhaft, als dadurch ermöglicht wird, daß auffallendes Licht von dem nicht reflektierenden Oberzug durchgelassen werden kann, der avf der Lichteinfallsoberfläche der Photozelle 1 aufgetragen ist Andere ι η Gestalten der Elektrode 6 können verwendet werden, vorausgesetzt, daß genügend Licht in die Photozelle eindringt

Zurückkehrend zur Fig.4, kann eine Nickelschicht auf die Auß^noberfläche der NI+-Schicht 5 aufgetragen ι s werden, wooei 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 .i> 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 Brechungsindex π r> innerhalb des Bereiches 1.8 bis 2,0 liegt Wie oben erwähnt, dient dieser nichtreflektierende Überzug zur Herabsetzung der optischen Verluste in der Photozelle. Ein geeignetes Gehäuse, wie z. B. aus durch eine Gußformeinrichtung behandeltem durchsichtigen Ma- «> terial kann vorgesehen werden, um die Mehrschichten-Halbleiter-Photozelle I aufzunehmen.

Eine andere Ausfuhrungsform der Mehrschichtenhaibleiter-Photozelle ist in Fig.9 gezeigt Diese Photozelle 21 besteht aus dem außenliegenden Schich- η ten 22 und 25 aus einem Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und aus den inneren Schichten 23 und 24. Wie gezeigt bestehen die aufeinanderfolgenden Schichten aus einem Material abwechselnden Leitfähigkeitstyps, wobei die außenliegende Schicht 22 mit einem ■>" P+P-Übergang versehen ist. der zwischen dem P-Typ-Material und dem beträchtlich höher dotierten P+ -Material gebildet ist Auf ähnliche Weise ist die außeniiegende Schicht 25 mit einem N + N-Übergang versehen, der zwischen dem N-Material und dem *> N'-Material gebildet ist. Die Schicht 25 ist ein Substrat des N-Typs, dessen Dicke geeignet ist den verschiedenen Herstellungsarbeitsschritten unterworfen zu werden, wobei jedoch diese geringer ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger (Löcher) darin. Wie <" oben erwähnt, ist eine typische Dicke des N-Typ-Substrats 25 annährend 200 μπι. Die P-Typ-Schicht 24 ist auf da;. Substrat epitaxial aufgetragen worden und hat eine Dicke von annähernd 5 μιη und eine Störstellenkonzentration von 10" Atome/cm^J. Die N-Typ-Schicht 23 ist '·'·> auf der Schicht 24 epitaxial aufgetragen und hat ebenso eine Dicke von annährend 5 μπι und eine Störstellenkonzentration von 10" Atome/cm' Die P-Typ-Schicht 22 ist auf die Schicht 23 epitaxial aufgetragen und hat eine Störstellenkonzentration von 10" Atome/cm^J. Die < >o hochdotierte P⁺-Schicht ist bis zu einer Tiefe von etwa 03 μηι von der oberen Oberfläche der Schicht 20 her eindiffundiert und hat eine Störstellenkonzentration von 10™ Atome/cm³. Schließlich ist die hochdotierte N + -Schicht in die untere Oberfläche des Substrats 25 bis t> > zu einer Tiefe von etwa 4 μηι eindiffundiert, wobei diese N ⁺ -Schicht eine Störstellenkonzentration von 10²¹ Atome/cm^Jhat.

Falls die Störstellenkonzentration auf jeder Seite der entsprechenden N⁺N- bzw. P+P-Übergänge 28 und 29 ein Verhältnis aufweist, welches größer ist als 10³, so bildet der N⁺N- bzw. P+P-Übergang eine Potentialschranke gegen Minoritätsladungsträger. Somit wird ein eingebautes elektrisches Feld am N⁺N- bzw. P+P-Übergang vorgesehen. Darüber hinaus ist zu beachten, daß der P+P-Übergang 28 innerhalb der Diffusionslänge von Mmoritätsladungsträgern (Elektronen) liegt, welche in die P-Typ-Schicht 22 aus der N-Typ-Schicht 23 injiziert werden können. In ähnlicher Weise ist der N⁺N-Übergang innerhalb der Diffusionslänge des Minoritätsladungsträgers (Löcher) angeordnet, welcher in das Substrat 25 aus der P-Typ-Schicht 24 injiziert weiden kann. Somit ist die Potentialschranke, welche durch das obenerwähnte Störstellenkonzentrationsverhältnis am N⁺N- bzw. P+P-Übergang gebildet ist, vorteilhaft für das Blockieren der injizierten Minoritätsladungsträger. Aufgrund dieser N⁺N- bzw. P+P-Übergänge weist auch ein PNP-Transistor, dessen Emitter die Schicht 22 ist. und ein NPN-Transistor dessen Emitter die Schicht 25 ist hohe Emitterwirkungsgrade auf. da die Potentialschranke der N ⁺ N- bzw. P+P-Übergänge die Tendenz zeigt den injizierten Basisstrom herabzusetzen. Der normale Stromverstärkungsfaktor (x_lN des PNP-Transistors ist größer als 039. während der normale Stromverstärkungsfaktor <x_2N des N PN-Transistors etwa 03 beträgt Die entsprechenden umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren λ,/ und &21 betragen jeweils etwa 03- Die Werte dieser Parameter stimmen demnach mit den obenbeschriebenen, mathematisch abgeleiteten Werten und mit den experimentell bestimmten Werten überein.

Sämtliche PN-Übergänge /1-/3 sind verhältnismäßig nahe der Lichteinfallsoberfläche, deshalb ist die dargestellte Mehrschichten-Halbteiter-Photozelle für Licht kurzer Wellenlänge empfindlich. Insbesondere beträgt die Dicke des Substrats 25 mindestens 90% der Gesamtdicke der Photozelle. Der PN-Übergang /j befindet sich in einer Tiefe zwischen 15 und 16 μπι von der Lichteinfallsoberfläche, so daß sämtliche PN-Übergänge innerhalb einer Tiefe von annährend 10% der Gesamtdicke der Einrichtung liegen. Da der kurzwellige Anteil des Lichtspektrums ausgenutzt wird, ist ersichtlich, daß Licht höherer Energie in elektrische Energie umgesetzt wird.

Eine andere Ausführungsform der Mehrschichten-Halbleiter-Photozelle ist in Fig. 10 dargestellt. Die darin dargestellte Photozelle 31 ist ir" wesentlichen ein umgekehrtes Abbild der Photozelle 21. die zuvor unter Bezugnahme auf F i g. 9 beschrieben wurde. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist jedoch die N+ -Schicht nicht in die gan/.e Oberfläche des Substrats 32 eindiffundiert Die N * -Schicht ist vielmehr selektiv in das N Typ Substrat eindiffundiert. Da ein hochdotierter Bereich die Tendenz hat. einfallendes Licht zu dämpfen, ist ersichtlich, daß die selektive Diffusion der N - -Schicht es ermöglicht, daß Einfallslicht durch das Substrat bis in genügende Tiefen in die Photozelle eindringt, um somit in den entsprechenden PN-Übergängen absorbiert zu werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 hat das Substrat 32 eine Dicke, welche größer als etwa 90% der Gesamtdicke der Photozelle ist. Da die PN-Übergänge /_t —y₃ verhältnismäßig weit von der Lichteinfallsoberfläche entfernt sind, ist die Photozelle 31 für lange Wellenlängen des Spektrums empfindlich und somit auf Licht niedriger Energie ansprechend.

Eine andere Ausführungsform der Mehrschicht-Hal'oleiter-Photozelle ist in den Fig. ti und 12 dargestellt Bei dieser Ausführungsform ist die Photozelie 41 aus sechs Halbleiterschichten 42-47 gebildet, wobei diese Schichten so angeordnet sind, daß aufeinanderfolgende Schichten aus abwechselnd verschiedenen Leitfähigkeitstypen bestehen. Die außenliegenden Schichten 42 und 47 bestehen aus Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei die benachbarten Schichten fünf PN-Übergänge Ji -Js bilden. Vergleicht man die in Fig. 11 gezeigte Photozelle 41 mit der in Fig.4 gezeigten Photozelle t, so ist ersichtlich, daß die außenliegenden Schichten 42 und 47 nach Fig. 11 den außenliegenden Schichten 2 und 5 nach Fig.4 entsprechen, während die inneren Schichten 43 und 46 nach F i g. 11 den inneren Schichten 3 und 4 nach F i g. 4 entsprechen. Somit können die Schichten 44 und 45 als zwischen den Schichten 3 und 4 nach F i g. 4 eingesetzt

in durch die Transistoren NiPiNi und N₂P₃N₃ transportiert Löcher, die am PN-Übergang h gebildet sind, werden zur Schicht P\ durch den Transistor P₂N\P\ transportiert, während Elektronen, welche am PN-Übergang h erzeugt sind, werden zur Λ/3-Schicht durch den Transistor N2P3N3 transportiert Somit werden sämtliche Ladungsträger, die in den inneren Schichten erzeugt wurden, an die entsprechenden außenliegenden Schichten Pi 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:

zwiscnen aen acrucnieii ο umu τ imui ^s-' -—β

gedacht werden. Diese zusätzlichen Schichten 44 und 45

haben jeweils eine Dicke von annährend 5 um und eine jo «,* ist der normale Stromverstarkungsfaktor fur den

„ Λ, . ._.»: „ ims AMmp/iW Die Transistor P1/V1P?. worin die Pi-Schicnt der

Störstellenkorucatration von 10¹⁵ Atome/cm³. Die übrigeDicke und die Störstellenkonzentration aer Schichten 42,43,46 und 47 entsprechen jenen, die oben unter Bezugnahme auf die Schichten 2 bzw. 3 bzw. 4 bzw. 5 beschrieben wurden.

Da die Dicke jeder der inneren Schichten 43—46 kleiner als die Diffusionslänge det darin befindlichen Minoritätsladungsträger ist können diese Schichtdicken wie folgt ausgedrückt werden:

(J

W<<L_P4 ()

WXU* (22)

Infolge dieser Dicken ist die Photc -.eile imstande, die Transistortätigkeit zu unterstützen. Somit und unter Bezugnahme auf Fig. 12 werden Elektronen, die am PN-Übergang /1 erzeugt werden, an dem PN-Übergang J₂ injiziert und in die /VrSchicht durch den Transistor Transistor P1MP2, worin die P_rSchicht der

Transistor-Emitter ist
«2JV ist der normale Stromverstärkungsfaktor des

Transistors N₂P₂N_x, worin die M-Schicht der Transistor-Emitter ist

Λ3Ν ist der normale Stromverstärkungsfaktor des

Transistors P₂N₇P₃, worin die P_rSchicht der Transistor-Emitter ist

eu_N ist der normale Stromverstärkungsfaktor des so Transistors N₃P₃N₂, worin die /VrSchicht der

Transistor-Emiy sr ist
λ,; ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für

den P, M PrTransistor. Das heißt hier kann die

PrSchicht als der umgekehrte Transistor-Emitter j) betrachtet werden.

Oi₂/ ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für

den obenerwähnten /V₂P₂M-Transistor. «3/ ist der umgekehrte Stromverstärkungsfaktor für

den obenerwähnten P₂/V₂P_rTransistor.

J₂ injiziert und in die /Vracnicni aurcn aen iransmur uciiuutiitinaiimtnii../. 1 _.„.™„™..

MP2M transportiert worin die M-Schicht der Transi- 40 oui ist der umgekehrte Stromverst.,rkungsfaktor Fur

tt_:. :.. c-u.m Ai^ cini/irnnan Aio W—Qi-liir-hf den obenerwähnten A/iPiA/j-Transistor.

stor-Emitter ist Sobald die Elektronen die /VrSchicht erreicht haben, werden sie am PN-Übergang /« in die Schicht P₃ injiziert und dann in die N₃-Schicht durch den Transistor N₂P₃N₃ transportiert. Auch Löcher, welche am PN-Übergang J₂ gebildet werden, werden in die /VrSchicht injiziert und zur Pi-Schicht durch den Transistor P₁NP_x transportiert Die Elektronen, die am PN-Übergang J₂ erzeugt werden, werden zur Schicht N₃ den obenerwähnten N₃P₃NrTransistor.

Unter Verwendung dieser Parameter und in Nachfolge der oben umrissenen Prozedur bei der mathemati-4-, sehen Analyse der vierschichtigen Photozelle wird die nachfolgende Matrixgleichung für die in den Fig. 11 und 12 gezeigte sechsschichtige Photozelle erhalten:

-a_u 0

-1 cti»

-a_v 1 -au

a_3N

a_4t r+h

<L2

i.4

/+4s

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

19 20

Da die Ausgangsspannung V der Summe der Die erfindungsgemaßen Lehren sind vielmehr auf 2/j Übergangsspannungen gleich ist, ist auch die nachfol- Schichtkonstruktionen anwendbar, worin η eine ganze

gende Gleichung anwendbar: Zahl ist, die größer als Eins ist. Anders ausgediückt,

„ ., .. ., .. ,. ,„. bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine

V= V_x + V₂+ V₃ + V₄+ Vs (25) ₁ mehrschichtige Halbleiter-Photozelle, bei welcher die Falls die Gleichungen (24) und (25) zur Lösung der beiden außenliegenden Schichten aus einem Material Matrixgleichung (23) verwendet werden, wird gefunden, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen, wobei

daß die Ergebnisse jenen gleich sind, welche für die die Konstruktion aus 2n Schichten aus Material

vierschichtige Ausführungsform mathematisch abgelei- abwechselnden Leitfähigkeitstyps besteht worin π eine

tet wurden. Die normalen Stromverstärkungsfaktoren m ganze Zahl ist, welche größer als Eins ist.

für jene Transistoren, deren Emitter die außenliegenden Wie oben erwähnt, wurde gefunden, daß hoch

Schichten P₁ bzw. N₃ bilden, weisen demnach, wie dotierte Bereiche hindurchtretendes Licht dämpfen,

gefunden wurde, den nachfolgenden Bereich auf: Dementsprechend wird bevorzugt, daß die hochdotierte

. äußerste Schicht, welche die Lichteinfallsoberfläche

«iMflfcwwieder angenähert 1 (26) .. _bi,_{detj eine Dicke hati die} deiner als 1,0 μπι ist. so daß

' Die übrig..n normalen und umgekehrten Stromver- das Licht nicht wesentlich gedämpft wird. Somit wird

: Stärkungsfaktoren liegen, wie auch gefunden wurde, eine verhältnismäßig dünne außenliegende Schicht

innerhalb des nachfolgenden Bereiches: gestatten, daß das Licht in die Phutozelle eindringt und

jede der Schichten anregt Es wird selbstverständlich

Ι 0,2<α2ΜΛ3Μ<χΐΑ<Χ2ΑΛ3Αα4/ί0,7 (27) ,„ b_evorzii3t _an den außenliegenden Schichter, eine hohe

Es ist also ersichtlich, daß der normale Verstärkungs- Dotierung zu erwirken, um ,mit den höchsten

faktor für den Transistor P\N\P₂ und der normale Siromversiärkungsfaktor zu errekhrn und somit den

Verstärkungsfaktor für den Transistor S₃PiNj jeweils photoelektrischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Äi/vbzw.Awentspricht durch die Photozelle erzeugte Ausgangsspannung zu Hierbei ist zu beachten, daß bei der in Fig. 11 2> erhöhen.

gezeigten Ausführungsform die meisten PN-Obergänge Während bei der obigen Erörterung angenommen

h -h von der Lichteinfallsoberfläche entfernt liegen. Es wurde, daß jeder der entsprechenden Übergänge ein

fet außerdem ersichtlich, daß die Ausführungsform nach PN-Übergangjst ist zu beachten, daß, falls gewünscht.

§ Fig. U gegenüber der langen Wellenlängen des auch Hetero-Übergänge gebildet werden können. Der

Lichtspektrums empfindlich ist und somit auf Licht «> Hetero-Übergang hat verschiedene Bandlückenener-

«iedriger Energie anspricht Zurückkehrend zur F i g. 13 gien auf jeder Seite desselben.

§ fet eine andere Ausführungsform gezeigt, welche im Der Halbleiterkristall kann ein Einkristall. Polykri-

wesentlichen ein umgekehrtes Abbild der Ausführungs- stall. Flach- oder Bandkristall sein, typische Halbleiter-

form nach F i g. 11 darstellt Da der größte Teil der materialien, die verwendet werden können, sind

PN-Übergänge /i-A verhältnismäßig nahe der Licht- r> Silicium. Germanium oder eine IU-V-Verbindung.

tinfallsoberfläche bei der Ausführungsform nach Die oben beschriebenen Störstellenkonzentrationen

η Fig. 13 liegen, ist ersichtlich, daß diese Ausführungs- sind ferner nur beispielsweise angegeben. Diese

form gegenüber den kurzen Wellenlängen des Spek- Störstellenkonzentrationen können geändert werden.

trums empfindlich ist und somit Licht ausnutzt welches So z. B. kann die Dotierung gewisser Schichisn höher

k höhere Energie hat «·> oder niedriger als jene bei anderen Schichten sein.

* Hierbei ist zu beachten, daß die vorliegende Bei der Berücksichtigung des Energieumsetzungswir-

' Erfindung nicht lediglich auf vierschichtige und sechs- kungsgrades η. wird dieser Wirkungsgrad allgemein wie

Khichtige Konstruktionen eingeschränkt werden soll. folgt bestimmt: Maximalausgangsleistung

(Einfallslichtenergie) (taW/cm²) x wirksamer Bereich) (cm²) '

Der theoretische maximale Wirkungsgrad einer graphischen Vergleich stellen die schraffierten Säulen Siliciumzelle liegt, wie man glaubt zwischen 22 und w die entsprechenden Wirkungsgrade der Photozellen

24%. Im Gegensatz zu diesem theoretischen Maximum dar, die auf Wolframlicht ansprechen, deren Maximal-

Hegt der tatsächliche Wirkungsgrad einer Silicium-Pho- energie in einer längeren Wellenlänge des Spektrums

»zelle zwischen 10 und 15%. Durch die vorliegende liegt als die Maximilenergie des Sonnenlichtes. Die

Erfindung wird der Wirkungsgrad auf 17 bis 20% ureigen nicht schraffier ten Säulen stellen die Wirkungs-

•rhöht. 5> grade der entsprechenden Proben dar, welche auf

Ein Vergleich zwischen dem Wirkungsgrad, der durch Sonnenlicht an prechen. Es ist ersich»!^:ch, daß der die erfindungsgemäße mehrschichtige Photozelle erzielt Wirkungsgrad der Probe E (bei der Ausführungsfcrm wird, und jenem der typischen zweischichtigen Photo- nach Fig. 11) und der Wirkungsgrad der Probe F(bei teilen nach dem Stand der Technik ist in Fig. 14 der Ausfühmrgsform nach Fig. 4) jeweils größer als die gezeigt Die Proben A, B und C sind handelsüblich M) Wirkungsgrade der Proben A-D nach dem Stand der erhältliche zweischichtige Silicium-Photozellen, Die Technik ist= Der Wirkungsgrad der Probe F(F ig. 4), die Probe D ist eine zweischichtige Silicium-Photozelle, die auf Sonnenlicht anspricht, ist größer als der Wirkungsentsprechend den herkömmlichen Herstellungsmetho- grad der Probe £(Fig. 11), weil die PN-Übergänge in den gefertigt ist. Die Probe E ist eine sechsschichtige der Probe F näher der Lichteinfallsoberfläche als die Photozelle der Art, wie oben unter Bezugnahme auf b5 pn-Übergänge der Probe fliegen. Da das Sonnenlicht Fig. 11 beschrieben. Die Probe Fist eine vierschichtige eine Maximalenergie in der Kurzen Wellenlänge des Photozelle der Ar», die oben unter Bezugnahme auf Spektrums hat, ist die Ausführungsform nach Fig.4 Fig. 4 beschrieben wurde. Bei dem dargestellten empfindlicher demgegenüber und somit wirkungsvoller.

Umgekehrt ist der Wirkungsgrad der Probe E(F i g. 11) die auf Wolframlicht anspricht, höher als der Wirkungsgrad der Probe F(Fig.4). Die PN-Übergänge bei der Ausführungsform nach F i g. 11 sind von der Lichteinfallsoberfläche weiter entfernt als die PN-Übergänge bei der Ausführungsform nach F i g. 4 und somit empfindlicher gegenüber den längeren Wellenlängen des Spektrums.

Als weiterer Beweis für die vorteilhaften Ergebnisse, die erfindungsgemäß erzielt wurden, wird der Sammlungswirkungsgrad f/_ro//einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Halbleiter-Photozelle mit jenem einer Photozelle nach dem Stand der Technik verglichen. Der Sammlungswirkungsgrad wird wie folgt bestimmt:

getrennte Elektron-Loch-Paare
erzeugte Elektron-Loch-Paare

15

(29)

Es wurde gefunden, daß der Sammlungswirkungsgrad der erfindungsgemäßen Photozelle fast 100%ig ist, wogegen die Photozelle nach dem Stand der Technik einen Sammlungswirkungsgrad 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 die Änderung der relativen Ausgangsleistung der Photozelle bei Änderung der U.Tigebungs- oder Raumtemperatur. Die Kurve 151 stellt die temperaturabhängige Ausgangsleistung einer Photezel-Ie 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 25°C normiert. Wie ersichtlich, ist bei höheren Temperaturen die durch die erfindungsgemäße mehrschichtige Photozelle erzielte Ausgangsleistung verhältnismäßig stabil. Das heißt, die Änderung der Ausgangsleistung bei Erhöhung der Temperatur scheint im wesentlichen gleich Null zu sein. Der Ausgangsstrom der Photozelle steigt mit dem Temperaturanstieg an. während die Ausgangsspannung sinkt.

Ein weiterer Vergleich zwischen den Arbeitscharakteristiken der Photzelle nach dem Stand der Technik, wie z. B. der Probe D, und der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie z. B. der Probe E(Fi g. 11) ist in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Diese Zeichnungsfiguren zeigen das Verhältnis Spannung/Strom bei der Photozelle nach dem Stand der Technik bzw. nach der vorliegenden Erfindung. Dieses Verhältnis ist in dem vierten Quadranten 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.

Die Abhängigkeit der relativen Ausgangsleistung der Photozelle als Funktion der Wellenlänge des auffallenden Lichtes ist für verschiedene Photozellen in Fi g. 18 _Μ gezeigt Die Kurve 181 zeigt diese Abhängigkeit für eine Photozelle nach dem Stand der Technik, wie z. B. für die Probe D. Die Kurve 182 stellt diese Abhängigkeit 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-Übergänge weiter von der Oberfläche des auffallenden Lichtes entfernt sind, eine maximale Ausgangsleistung in dem höheren Wellenlängenabschnitt des Spektrums erhalten wird. Die Kurve 181 stellt die Abhängigkeit zwischen Ausgangsleistung und Wellenlänge für die Ausführungsform dar, welche unter Bezugnahme auf Fig.9 beschrieben und dargestellt worden ist. Diese Kurve zeigt, daß, da sämtliche PN-Übergänge verhältnismäßig nahe der Lichteinfallsoberfläche liegen, die Photozelle gegenüber Licht, dessen Energie in dem niedrigen Wellenlängenabschnitt des Spektrums liegt, äußerst empfindlich ist, und somit ihren höchsten Ausgangswert hat, wenn sie auf dieses Licht anspricht. Die Kurve 184 stellt die Ausgangsleistung einer Silicium-Photozelle dar, welche vier Schichten hat, wobei jedoch die inneren Schichten nicht mit einer Dicke versehen sind, welche kleiner als die Diffusionslänge des Minoritätsladungsträgers ist, und weiche die Transisiuriäiigkeii nicht unterstützt. Somit ist die Dicke jeder inneren Schicht größer als 300 μπι, wobei die Summe der normalen Stromverstärkungsfaktoren (<x\h+&2h) kleiner als die Zahl Eins ist. Dies ist selbstverständlich der vorliegenden Erfindung entgegengesetzt, bei welcher die Summe der normalen Verstärkungsfaktoren annährend 2 ist. Sämtliche in Fig. 18 gezeigten Kurven sind auf ihre entsprechenden Maximalausgänge normiert worden.

Wie obtn für die Ausführungsform einer vierschichtigen Photozelle beschrieben wurde, ist wünschenswert, daß jeder der umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren innerhalb des Bereiches 0.2 bis 0,7 liegt. Es wurde durch Versuche gefunden, daß dann, wenn «w annährend 0,1 bis 0,2 ist. und a.21 annährend 0.8 bis 0,9 ist, der Wirkungsgrad der Photozelle annährend 5% beträgt. Der Einfluß der umgekehrten Stromverstärkungsfaktoren wird somit ohne weiteres ersichtlich.

Bezugnehmend nun auf Fig. !9 wird die Art und Weise erläutert, auf welche der nicht-reflektierende Überzug 9 ausgewählt worden ist. Um die Reflexion des auffallenden Lichtes auf ein Minimum herabzusetzen und somit die optischen Verluste bei der Photozelle zu reduzieren; soll der Brechungsindex n_c des Überzuges 9 wie folgt sein:

- /T₁TI₂

(30)

(31)

worin n\ der Brechungsindex der Siliciumschicht ist. auf welcher der Überzug 9 aufgetragen worden ist, während /?2 der Brechungsindex der Luft, d_c die Dicke des Überzuges und λ die Wellenlänge des auffallenden Lichtes ist Bei einer Ausführungsform ist der Überzug 9 aus einer polykristallinen Siliciumschicht gebildet, welche Sauerstoff in einer Menge von 65 Gew.-% enthält. Der Brechungsindex n_c des Überzuges 9 kann von 1,44 auf 4,5 geändert werden, indem der Sauerstoffgehalt geändert wird. Die polykristalline Siliciumschicht kann auch Stickstoff enthalten. Hierbei ist zu beachten, daß über die Anbringung eines nicht reflektierenden Überzuges hinaus die Mehrkristallschicht auch als eine Passivierungsschicht auf der Siliciumanordnung dient

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Photozelle, die aus 2/j übereinander angeordneten Schichten aus abwechselnd P- und N-leitendem Halbleitermaterial besteht, wobei π eine ganze Zahl größer als 1 ist, wobei in den Schichten durch Strahlung, die auf eine der beiden außenliegenden Schichten auftrifft und in jede der übereinander angeordneten Schichten eindringt, Ladungsträger erzeugt werden, wobei die Schichtfolge an den Ausgangsanschlüssen einen Photostrom bzw. eine Photospannung bei einfallender Strahlung liefert, und wobei für die zwischen den beiden außenliegenden Schichten befindlichen inneren Schichten die Schichtdicke geringer als die Diffusionslänge der in der jeweiligen Schicht als Minoritätsladungsträger geltenden Ladungsträger ist, gekennzeichnet dadurch, daß für die von jeder der beiden außenliegenden Schichten (2,5; 25; 42,47) ausgehende Dreifachschichtfolge (2,3,4 bzw. 5,4,3; 22,23,24 bzw. 25,24,23; 42,43,44 bzw. 47, 46, 45), in die die jeweils außenliegende Schicht eingeschlossen ist, der von Transistoren her bekannte normale Stromverstärkungsfaktor */v(<xi/v. X₂M λιλ(. <un) annähernd gleich 1 ist daß für Dreifachschichtfolgen (43, 44, 45; 44, 45, 46) unter denen sich keine außenliegende Schicht (42, 47) befindet, die normalen Stromverstärkungsfaktoren Λ/ν (äjw. «3/v) zwischen 0.2 und 0,7 liegen und daß die inverser.

Stromverstärkungsfaktoren on (*u X21 ■ ■ ■) aller jeweilige».

Dreifachschichtfolgen (4,3,2 und 3,

4.5; 24,23,22 und 23,24,25; 44 13, 42 und 43,44,45 und 46, 45, 44 und 45, 46 47) zwischen 0.2 und 0.7 liegen.

2. Halbleiter-Photozellenach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der außenliegenden Schichten (22, 25, 32, 35) einen äußeren

• Schichianteil (28,39) gleichen Leitfähigkeitstyp aber höherer Störstellenkonzentration (N \ P ⁺ ) aufweist. um somit wenigstens einen N* N- bzw. P*P-Übergang zu bilden.

3. Halbleiter-Photozelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der außenliegenden Schichten ein Substrat (32) bildet, dessen Außenoberfläche für die Einstrahlung des Lichtes vorgesehen ist. wobei die Dicke dieses Substrats (32) annährend 90% der gesamten Dicke der Photozelle beträgt und der Ν·Ν- bzw. P'P-Übergang (38) im Substrat (32) in einem Abstand von dem zwischen dem Substrat (32) und der folgenden Schicht (33) ausgebildeten PN-Übergang (/1) liegt, der weniger als die Diffusionslange eines Minoritätsladungsträgers im Substrat (32) ist (F i g. 10).

4. Halbleiter-Photozelle nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß eine der außenliegenden Schichten ein Substrat (25) bildet, dessen Dicke annähernd 90% der gesamten Dicke der Photozelle beträgt, wobei die andere außenliegende Schicht (22) für die Lichteinstrahlung vorgesehen ist. wodurch sämtliche PN-Übergänge (Ju J₂, ji) verhältnismäßig nahe der Einstrahlungsfläche liegen (F i g. 9).

5. Halbleiter-Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der inneren Schichten (3,43,56) ein Substrat bildet, dessen Dicke größer als 90% der Gesamtdicke ist.

6. Halbleiter-Photozelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der PN-Übergänge näher der für die Lichteinstrahlung vorgesehenen außenliegenden Schicht (52) als der anderen außenliegenden Schicht (57) angeordnet ist (Fig. 13).

7. Halbleiter-Photozelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der PN-Übergänge näher der nicht für die Lichteinstrahlung vorgesehenen außenliegenden Schicht (5,47) als der für die Lichteinstrahlung vorgesehenen außenliegenden Schicht (2,42) angeordnet ist

8. Halbleiter-Photozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die außenliegenden Schichten (2,5; 22,25; 32,35; 42,47; 52,57) eine höhere Störstellenkonzentration als die inneren Schichten (3,4; 23,24; 33,34; 43,44,45,46; 5354,55,56) haben.

9. Halbleiter-Photozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die für die Lichteinstahlung vorgesehene Oberfläche (2, 22, 32, 42, 52) der Photozelle zumindest einen Abschnitt aufweist auf dem ein nicht-reflektierender Überzug (9) aufgetragen ist