DE2709288A1 - Photoelektrischer halbleitergenerator - Google Patents

Photoelektrischer halbleitergenerator

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Description

  • BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Eirrichtungen zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, insbesondere auf photoelektrische Halbleitergeneratoren, die bei Schaffung von Sonnenbatterien für Weitrauniflugapparate und terrestrische Sonnenenergieanlagen verwendet werden.
  • Bekannt ist ein photoelektrischer Halbleitergenerator, der aus miteinander elektrisch verbundenen Photowandlem (USA-Patentschriften N 3.081.370 und N 3.359.137> Xl.136-89) besteht. Jeder Photowandler ist in Gestalt einer Platte aus Halblettermsterial ausgebildet, bei dem durch Legierung ein pn-Ubergang geschaffen ist, der die Funktion einer Gleichrichtungsbarriere ausübt die die Stromträger nach dem Ladungvorzeichnen trennt.
  • Somit trennt der pn-Ubergang den Basisbereich mit dem einen Leitungstyp, der durch die MaJoritätsträger im Basisbereich gewährleistet ist, von dem Inversionsgebiet mit dem entgegengesetzten Leitungstyp, der durch die Minoritätsträger im Basis bereich gewährleistet ist.
  • Im Basisbereich ist auch ein Isotypubergang> der eine p-p+-Struktur im p-leitenden Basisbereich hat, oder ein Isotypübergang mit einer n-n+-Struktur susgeführt, falls der Basisbereich n-leitend ist.
  • Die Stromabnahmekontakte aus Metall sind an den Basisbereich und das Inversionsgebiet angeschlossen, das gegebenenfalls durch Legierung erhalten wird d.h. eine legierte Schicht darstellt. Die Dicke des Basisbereiches ist mit der Diffusionslänge gder Minoritätsträger im Basisbereich vergleichbar. Die Dicke des Inversionsgebiets (der legierten Schicht ist einige hundert Male geringer als die des Basisbereiches. Der pn--Jbergang liegt in der Nähe der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators, auf die die Strahlung einfällt, und ist von der Arbeitsfläche durch eine legierte Schicht getrennt, während der Isotypübergang von der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitersgenerators entfernt und der entgegengesetzten Rückseite desselben nahe angeordnet ist.
  • Die Stromabnahmekontakte, die an einen legierten Bereich angeschlossen sind, der bis zur Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators hinaufgeht, sind kammförmig ausgebildet und nehmen nicht mehr als 104 der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators ein, während der an den Basisbereich angeschlossene Stromabnahmekontakt als dtinne Metallplatte ausgeführt ist, die die ganze Rückenfläche des photoelektrischen Ualbleitergenerators einnimmt. Deswegen verfügen derartige Generatoren über nur eine Arbeitsfläche.
  • 8ie besitzen einen verhältnismäßig hohen Serienwideratand (etwa einige Zehntel Ohm.cm), der auf die Arbeitsfläche einschließlich der durch die Stromabnahmekontakte besetzte Pläche bezogen ist. Hauptanteile des Serienwiderstandes sind der Ausbreitungswiderstand im dünnen legierten Be: der reich und / Basiswiderstand für einen längs dünner schmaler Streifen des ßtromabnahmekontaktes der Arbeitsfläche fließenden Strom. Der hohe Serienwiderstand führt zur Verminderung des Wirkungsgrades, wenn die Leistung der Einfallstrahlung 0,5 1/cm2 übersteigt.
  • Mit steigender Eindringtiefe des pn-Ubergangs wird.-die Spektraiemptindlichkeit solcher Generatoren herabgesetzt, während bei Verminderung der Eindringtiefe des pn-8beroangs sich neben der Zunahme des Ausbreitungswiderstands in der legierten Schicht der durch den pn-0bergang fließende Leckstrom erhöht.
  • Die Verminderung des Abstandes zwischen den Stromabnahmekontakten und die Vergrößerung ihrer Breite ruft neben der Abnahme des Serienwiederstands auch eine Verminderung des Wirkungsgrades dadurch hervor, daß die Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators durch die Stromabnahme kontakte in größerem Maße beschattet ist.
  • Bekannt ist ein photoelektrischer Halbleitergenerator (USA-Patentschrift N 3653>971, Kl. 136-89), der als Festkörpermatrix als ~Likrophotowandler mit pn-0bergangen ausgeführt ist.
  • Die genannten Photowandler haben die Form von Mikrominiaturparallelepipeden, die zu einer Festkörpormatrix durch Verbineluns der an sämtlichen Seitenflächen der ltikrominiaturparallelepipede angeordneten Stromabnahmekontakte zusammengefaßt sind. Diese Seitenflächen sind unter einem Winkel zur Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators geneigt. Die Ebenen der pn-Übergänge liegen an einer, zwei, drei, vier und fünf Flächen des Parallelepipeds, während die Breite der Grundfläche jedes Mikrominiaturparallelepipeds etwa gleich der Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich ist.
  • Bei diesen photoelektrischen Halbleitergeneratoren besitzen die Stromabnahmekontakte einen vernachlässigbar gering er Widerstand (etwa einige Tausendstel Ohm), Jedoch führt der in der legierten in unmittelbarer Nähe von der Arbeitsoberfläche angeordneten Schicht bestehende Ausbreitungswiderstand zu einer Verminderung des Wirkungsgrades solcher photoelektrischen Halbleitergeneratoren, wenn die Strahlung leistung 50 W/cm2 Ubersteigt.
  • Darüber hinaus hat der bekannte photoelektrische, als eine Pestkörpermatrix ausgeführte Halbleitergenerator einen erhöhten Leckstrom durch den pn-Übergang. Ist aber kein pn-tbergang in der Nähe der Arbeitsfläche vorhanden und macht der Basisbereich den größten Teil der Arbeitsfläche aus, so nehmen die Stromverluste durch Rekombination der Minoritätsträger im Basisbereich an der Oberfläche derJenigen Seitenflächen der Mikrophotowandler zu, die keinen pn-Ubergang aufweisen.
  • Es ist ein photoelektrischer Halbleitergenerator (vgl.
  • die Anmeldung in den USA N 519.697 vom 31,10.74 gemäß der ßU-Anmeldung N 1.492.289) vorgeschlagen, welcher miteinanderelektrisch verbundene Photowandler darstellt, die über pn-Uberp gänge und Isotyübergänge in Basisbereich verfügen. Die Isotypilbergänge sind in unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators angeordnet, während die Isotypübergänge von der Arbeitsfläche in einem Abstand liegen'der die Diffusionslänge der Minoritätsträger im Basisbereich nicht überschreitet.
  • Bei diesem photoelektrischen Halbleiterzenerator gelingt es, Leistungsverluste durch den Ausbreitungswiderzatand im Basisbereich und den Widerstand der Stromableitungskontaste nur dann gering zu halten, wenn mindestens zwei Längenmaße des Mikrophotowandlers mit der Diffusionslänge L der #inori -tätaträger im Basisbereich vergleichbar sind.
  • Jedoch haben die zwischen dem pn-Ubergang und dem e Isotypübergang angeordneten Basisbereichsteile der Photowander eine beträchtlichere Fläche als die des pn-Überganges. An diesen Teilen zeigt sich eine hohe Geschwindigkeit der Oberflächenrekombination, was die Ansammlung der photoerzeugten, sich zum pn-Übergang hin bewegenden Ladungsträger vermindert und hohe Strom -und Spannungsverluste hervorruft.
  • Bekannt ist ferner ein photoelektrischer Halbleitergenerator (US&-Patentschrift N2.222.788> Kl. 136-89), bei dem an der Arbeitsfläche ein Schutzüberzug aus durchsichtigem Material, z.B. aus M.ethylmethakrylat, vorhanden ist, der die Photowandler gegen schädliche Umwelteinflüsse hermetisch schüzt und auch eine optische Linse bilden kann, die die sie durchlaufende Strahlung fokussiert.
  • Als gemeinsamer Mangel ist bei allen obenerwähnten bekannten photoelektrischen Halbleitergenerator zu bezeichnen, daß ihr Wirkungsgrad unter dem Einfluß einer schädigenden Strahlung schnell vermindert wird, deren Quellen kosmische Strahlen, Erdstrahlungsgürtel und thermonukleare Reaktionen sein können.
  • Die Bestrahlung der photoelektrischen Halbleitergeneratoren mit beschleunigten geladenen Teilchen hinreichend hoher Dosis, die eine schädigende Strahlung darstellen, führt zu Strom- und Spannungsdichteverlusten. Dies ist durch Strahlungsachäden in der Halbleiterstruktur und Verkleinerung der Diffusionslänge L der Einoritätsträger bedingt.
  • Bei den bekannten photoelektrischen Halb leitergeneratoren wird die Strahlenfestigkeit durch Einführung bestimmter Störstellen von erforderlicher Konzentration in den Basisbereich erhöht. Es ist bekannt, daß bei der Herstellung des Basiabereiches aus p-leitendem Silizium die Strahlenfestigkeit einige Male höher ist als bei n-leitendem Silizium. Die Senkung der Störstellenkonzentration im Basisbereich hat auch eine Erhöhung des Strahlentestigkeit zur Folge. Jedoch ist der Dauerbetrieb aller bekannten photoelektrischen Haibleitergeneratoren ohne Zusatzschutz gegen schädigende Strahlungen unmöglich, weil solch ein Betrieb ausschließlich durch Anbringung von sehr (etwa 1 mm) starken Schutzüberzügen an der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators erreicht wird.
  • Es ist ganz unverkennbar, daß die Anwendung von dicken Schutzüberzügen aus Glas, Quarz oder Saphir sowie die Schaffung von großen Leistungsreserven in den photoelektrischen, zur Stromversorgung von We ltraumflugapparaten dienenden Halbleitergeneratoren die Gewichtskenndaten der photoelektrischen Halbleitergeneratoren verschlechtern.
  • Eine bekannte Maßnahme, die Absorptionsfähigkeit von Glas gegenüber schädigenden Strahlungen zu erhöhen, ist die EinfahruRg von Dotierungsstoffen, welche ein großes Atomgewicht (z.B. Lanthanidenreihe) besitzen.
  • Durch die EinfUhruFg solcher Dotierungsstoffe mit hoher Konzentration verliert Jedoch das Glas seine optischen Eigenschaften.
  • Es ist ein photoelektrischer EIalbleitergenerator (USA--Patentschrift N 3.541.679 Kl.29-572) bekannt, der einen.Sztz von Photowandlern enthält, welche derart angeordnet sind, daß ihr dünnes Inversionsgebiet bis zur Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators hinaufgeht. An der Basis und an das Inversionsjiebiet sind die Stromabnahmekontakte aus Metall ange#schlossen, die im Inversionsgebiet in Gestalt eines Kammes ausgebildet sind. Auf die Arbeitsfläche ist ein Schutzüberzug aufgebracht, der eine Glasplatte darstellt, die einseitig an denjenigen Stellen streifenförmig metallisiert ist, die der Anordnung der Stromabnahmekontakte an der fläche des photoelektrischen Halbleitergenerators entsprec###, und welche Glasplatte an diesen mittels der so erhaltenen metallischen Streifen angelötet ist.
  • Solch ein Aufbau des photoelektrischen Halbleitergenerators sichert keine hohe Strahlenfestigkeit, weil die Absorp-~2 tioseigenschaften nur durch die Dicke der Glasplatte bestimmt werden. Ungelöst bleibt das Problem des optimalen Verhältnisses zwischen der durch die Stromabnahmekontakte an der Arbeitsfläche eingenommenen Fläche und dem Serienwiderstandswert des Generators, denn die Vergrößerung der Stromabnahmekontaktfläche führt nicht nur zu einer verminderung des Serienwiderstandes sondern auch zu einer Beschattung der Arbeitsfläche, und bietet keine Möglichkeit, einen hohen irkungsgrad, besonders bei einer hohen Strahlungsleistung von mehr als 1 W Je cm2 zu erhalten.
  • Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, einen photo elektrischen Halbleitergenerator mit einem SchutzUberzug zu schaffen, der gegenüber den bekannten vorstehend beschriebenen Generatoren eine höhere Strahlenfestigkeit gegen schädigende Strahlungen bei gleichzeitger Steigerung der 8trom-und Spannungsempfindlichkeit und des Wirkungagrades des photoelektrischen Halbleitergenerators, darunter auch bei Strahlungskonzentrationen von mehr als 1 W Je cm2, gewährleistet.
  • Die gestellte Auf&abc wird ausgehend von einem photoelektrischen Halbleitergenerator, der mindestens einen Photowandler, dessen Gleichrichtungsbarriere den Basisbereich mit dem einen Leitungstyp, der durch die Majoritätsträger im Basisbereich gewährleistet ist, von dem Inversionsgebiet mit dem entgegengesetzen Leitungstyp, der durch die #inoritätsträger im Basisbereich gewährleistet ist trennt, wenigstens zwei Stromabnahmekontakte, vondenen der eine an den Basisbereich und der andere an das Inversionsgebiet angeschlossen ist, und einen #chutzüberzug#aufweist, der die Strahlung empfängt und an minbestens einer Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators angeordnet ist, auf die eine durch den Schutzüberzug hindurchgehende Strahlung einfällt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der genannte Schutzüberzug als ein Satz von Elementen, die aneinander mindestens in der Nähe der Empfangsoberfläche des Schutzüberzugs anliegen, die unmittelbar die Strahlung empfängt, und zur Arbeitsfläche des photoelektrische Halbleitergenerators wenigstens einen für den betreffenden Photowandler photoaktiven Teil des Strahlungsspektrums durchlassen, und von Zwischenschichten ausgeführt ist, die die den photoelektrischen Halbleitergenerator schädigende Strahlung absorbieren und zwischen Jeweils benachbarten Elementen angeordnet sind.
  • Es ist zweckmäßig, daß im photoelektrischen Halbleitergenerator der Schutzüberzug als eine Matrix von Elementen in Mikrominiaturbauweise ausgeführt ist, die reihenweise und einschichtig angeordnet sind, und die Dicke einer Schicht des Schutzüberzugs mit einem Längenmaß des Photowandlers vergleichbar ist, das in der senkrecht zur Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerator8 verlaufenden Richtung bestimmt wird.
  • Es ist erunschenswert, daß die Elemente des Schutzüberzugs in Gestalt von Parallelepipeden ausgebildet sind, bei denen ein Längenmaß, welches in der parallel zur Arbeitsflächc des photoelektrischen Halbleitergenerator verlaufenden Richtig bestimmt wird, mit der Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich vergleichbar ist und die dieses Maß begrenzenden Seitenflächen zur rbeitsfläche unter einem Winkel von O < 91800 geneigt sind, während Jeweils benachbarte Seitenflächen zu verbinden und untereinander mittels Zwischenschichten zu befestigen sind.
  • Es ist auch von Vorteil, daß die Elemente des Schutzüber-Zug8 in Gestalt von Zylindern ausgebildet, deren Grundfläche einen Durchmesser hat, der mit der Diffusionslänge L der Kinoritåtstrager im Basisbereich vergleichbar ist, und zur Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators unter einem Winkel von O < 4180° geneigt, verbunden und untereinander mittels Zwischenschichten befestigt sind.
  • Es ist ferner zweckdienlich, daß die Zwischenschichten des Schutzüberzugs aus elektrisch leitendem Material bestehen, an mit/der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators angeordneten Stromabnahmekontakten elektrisch verbunden und an eine gemeinsame Stronableitungsschiene angeschlossen sind.
  • Vorteilhaft ist, daß die Dicke des Basisbereiches des Photowandlers geringer als die Diffusionslänge L der Minoritätträger im Basisbereich ist.
  • Es ist zulässig, daß sämtliche Zwischenschichten des ßchntz(1berzugs mit den Stromabnahmekontakten über die gesamte Außenfläche der letzteren in Berührung stehen, die über die Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators hinausragt.
  • Es ist bevorzugt, daß mindestens ein Teil von den Elementen des Schutzüberzugs aus.einem Halbleitermaterial besteht, das die Photowandler bildet.
  • Es ist vorteilhaftt daß der photoelektrische Halbleitergenerator mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte und in einer Reihe angeordnete Photowandler mit eigenen Stromabnahmekontakten enthält, wobei ein Längenmaß dieser Photowandler, das längs der Reihe in der an der Arbeitsfläche anliegende Ebene bestimmt wird, mit der Diffussionslänge L der Kinoritatsträger im Basisbereich vergleichbar ist, und daß die Reihen für die Elemente des Schutzüberzugs senkrecnt zur Reihenrichtun# der Photowandler verlaufen.
  • Es ist zulässig, daß die Elemente des Schutzüberzugs in Gestalt von optischen Bonzentratoren, die die Strahlungenergie im Brennpunkt fokussieren, ausgebildet sind, wobei die Absorptionszone der im Brennpunkt, fokussierten Srahlung im Basisbereich des Photowandlers angeordnet ist und von der Gleichrichtungsbarriere in einem Abstand liegt, der geringer als die Difussioslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich ist.
  • Verteilhaft ist, daß der Schutzüberzug aus zwei Matrizen von Elementen ausgebildet ist, welche aufeinander derart aufgelegt sind, daß die Zwischenschichten der einen Matrix unter einem Winkel zu den Zwischenschichten der anderen Matrix liegen.
  • Es ist besonders wünschenswert> daß die der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators zugewandten Teile der Elemente des Schutzüberzugs fächerformig auseinandergehend ausgeführt sind, während die aus elektrisch leitendem L:aterial gefertigten Zwischenschichten mit den auf der Arbeitsfläche anseordneten Stromabnahmekontskten elektrisch verbindbyr sind.
  • Es ist besonders zweckdienlich, daß jedem Element des Schutzü.berzugs ein einziger Photowandler zugeordnet ist.
  • Es. ist bevorzugt, daß der photoelektrische llalbleitergenerator Photowandler enthält, deren Basisbereich ein Teil der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators ist, der mit einer Schicht aus Dielektrikum bedeckt ist, während die Zwischenschichten des Schutzüberzugs aus elektrisch leitendem Material hergestellt und zu einer gemeinsamen Stromableitungsachiene hinausgeführt sind, die an einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, deren anderer Pol an einen Stromabnahmekontakt auf der Arbeitsfläche des Photowandlers angeschaltet ist, und daß zwischen der Dielektrikumschicht und dem SchuztUberzug eine Schicht aus elektrisch leitendem Mutorial vorhnnden ist, die mit don Zw@shenschichto in Verbindung steht.
  • Besonders vorteilhaft ist, daß der photoelektrische Halbleitergenerator Photowandler enthält, bei denen der Basisbereich einen Teil der Arbeitsfläche des Generators darstellt, der mit einer Dielektrikumschicht bedeckt ist, und daß an der der Arbeitsfläche des Generators zugewandten Oberfläche des BchIitzüberzugs auch eine Dielektrikumschicht vorhanden ist, während zwischen den Dielektrikumschichten eine Schicht aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, wobei die aus einem Halbleiterm.3ter al bestehenden Elemente des Schutzüberzuge zu einem elektrischen Seriensstromkreis vereinigt sind, dessen eine Abteilung an einen der Stromabnahmekontakte des Photowandlers und dessen andere Abteilung an die Schicht aus elektrisch leitendem hLiterial angeschlossen ist.
  • Die Ausführung des photoelektrischen Halbleitergenerators nach der vorliegenden Erfindung sichert eine erhöhte Strahlenfestigkeit gegen schädiGende Strahlungen, ohne dosen Gewicht und Abmessungen zu vergrößern, und einen gesteigerten Wirkungsgrad, vor allem bei hohen Konzentrationen der photoaktiven Srahlung, sowie eine erhöhte Strom-und Spannungsempfindlichkeit des photoelektrischen Halbleitergenerator.
  • Im folgenden wir die Erfindung an Hand von Ausf(ihrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen, näher erltutert. Es zeigt Fig. 1 eine erste Ausftlhrungsform eines photoelektrischen Halbleitergenerators in einer Gesamtansicht; Fig. 2 einen Schnitt längs II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine zweite Ausftihrungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators in einer Gesamtansicht; Fig. 4 einen Schnitt längs IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 eine dritte Ausführungvariante des photoelektri schen Halble#tergenerators in einer Draufsicht; Fig. 6 einen Schnitt längs VI-VI; Fig. 7 eine vierte Ausfllhrungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators in einer Gesamtansicht; Fig. 8. eine fünfte AusfUhrungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators mit einem in Gestalt einer Matrix von Elementen aus Halbleitermaterial ausgebildeten Schutzüberzug; Fig. 9 die Gesamtansicht einer sechsten Ausführungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators mit einem in Gestalt einer Matrix von Elementen aus Halbleitermaterial ausgebildeten Schutzüberzug; Fig. 10 die Gosamwansicht des photoelektrischen Salbleitergenerators mit einem zweischichtigen Schutzüberzug; Fig. 11 eine siebente Ausführungsvariante des photoelektrischen Ealbleitergenerators in einer Gesamtansicht; Fig. 12 die Gesamtansicht einer achten Ausführungsvariante des photoelektrischen Halb leitergeneratore; Fig. 13 einer neunten Ausführungsformen des photoelektrischen Ealbleitergenerators in einer Draufsicht; Fig. 14 einen Schnitt längs tIV-XIV in Fig. 13; Fig. 15 die Gesamtansicht einer zehnten Ausführungsfo=n des photoelektrischen Halblei'tergenerators Fig. 16 eine elfte Ausführungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators in einer Gesamtansicht; Fig. 17 eine schematische Darstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators mit einem Sonnenstrahlungakonzentrator; Fig. 18 den Halbleitergenerator von Fig. 17 vergrößert im Längsschnitt; Fig. 19 schematisch eine zwölfte AusfUhrungsvariante des photoelektrischen Halble itergenerators;"' Fig. 20 im Längsschnitt einen Teil des photoelektrischen elektrischen Halbleitergenerators in tergrößertem Maßstab; In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß ausgefürter photoelektrischer Halbleitergenerator dargestellt, der aus einem Photowandler 1 mit Schutzüberzug 2 besteht. Der einfachen Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 1 der Schutzüberzug 2 und der Photovandler 1 Voneinander entfernt gezeigt.
  • Auf der Arbeitwfla>c 3 ces Photowandlers 1, welche die den Schutzüberzug 2 hindurchgehende Strahlung 4 empfängt, ist durch Vaakumbeda;npfung ein Stromabnahmekontakt 5 aufgetragen, der kammförmig ausgebildet ist und aus einer Metall schicht aus Titan-Palladium-Silber besteht. Der Photowandler 1 ist in Gestalt einer Platte aus Halbleitermaterial, z.B Silizium, ausgebildet, das den Basisbereich des Photowandlers 1 mit der p-Leitung bildet, die durch die Majoritätsträger, "Löcher", im Basisbereich 6 gewährleistet ist. In demselben Basisbereich 6 ist durch Dotierung mit Phosphor ein Inversionsgebiet mit der n-Leitung gebildet, die durch Elektronen, Majoritätsträger im Inversionsgebiet 7, gewährleistet ist. Dieselbe Stromträger, Elektronen, sind Minoritätsträger im Basisbereich 6.
  • Die Grenze zwischen Inversionsgebiet 7 und BAsisbereich 6 stellt einen pn-8bergang 8 dar, der unmittelbar in der Nähe der Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergenerators liegt. In der Nähe der Rückenfläche 9 des photoelektrischen Halbleitergenerators, die von der Arbeitsfläche (3) abgewandt ist, ist durch Dotierung mit Bor ein Isotj"pübergang 10 mit p-p+-Struktur> der zur Verminderung des UtergangswSerstandes zwischen dem zweiten Stromabnahmekontakt 11 und dem Basisbereich 6 sowie zur Reflexion von Elektronen in Richtung auf den pn#bergang 8 dient.
  • 5 Der eine Stromabnahm@kontakt 5 ist an da Inversionsgebiet angeschlossen und hat, wie schon er;;'ähnt> die Form eines Kammes, und der andere Stromabnahmekontakt 11 bedeckt die ganze Rtickenfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators und hat die Form einer Platte.
  • Der Schutzüberzug 2 enthält einen Satz von Elementen 12 in Gestalt lichtleitender Stäbe.die die dieForm von Parallelept peden haben. Die Elemente 12 sind einschichtig angeordnet und bilden eine Reihe. Eine der Parallelepipedflächen geht bis zut unmittelbar die Strahlung 4 aufnehmenden Empfangsoberfläche 13 des Schutzüberzugs 2 hinauf. Die parallelepipedförmigen Elemente 12 sind miteinander tber die ganze Fläche mittels Zwischenschichte 14 aus Blei verbunden, die als Abschirmungen eines Strahlenschutzes dienen. An denselben Seitenflächen der Elemente 12 ist durch die Vakuumbedampfung ein Reflexionsüberzug aus Silber (in Fig. 1 nicht gezeigt) aufgetragen. Man kann SiLber durch ein anderes Material ersetzen, dessen Brechungszahl geringer ist als die der Elemente 12. Die Verbindung der Zwischenschichten 14 und der Elemente 12 wird über die gesamte Fläche der Seitenflächen mittels eines Gerbstoffe oder eines Lötmaterials vorgenommen.
  • Die Stromabnahmekontakte 5 an der Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergenerators sind im Grundriß mit den Zwischenschichten 14 übereinandergelegt und fallen bei Auflegung eines Schutzüberzugs 2 auf die Arbeitsfläche 3 mit den Zwischenschichten 14 vollständig zusammen. Den 8chutzüberzug 2 befestigt man an dem Photowandler 1 mittels eines dünnen Klebstoffschicht'.
  • Als Ausgangshalbleitermaterial Stir den Basisbereich 6 des Photowandlers 1 wird ein Werkstoff mit der größten Diffusionalänge der linoritatsträger, z.B. Silizium mit derDiffusionslänge von etwa 100 mkm verwendet. Um die volle Ansammlung der sich zum p-n Übergang 8 hin bewegenden Minoritätsträger zu gewährleisten, darf die Dicke des Basisbereichs 6 die Dift'usionslänge der Minoritätsträger im Basisbereich 6 nicht Uborsteigen und muß praktisch der Dicke h des Photowandlers gleich sein.
  • Der erfindungsgemäße photoelektrische Halbleitergenerator arbeitet wie folgt.
  • Die Empfangsoberfläche 1 des Schutüberzugs 2 wird einer Strahlung 4, die durch parallele, die Sonnenstrahlung symoolisierende Geraden angedeutet ist, und einer schadigenden Strahlung 15 (durch wellige Pfeile 15 angedeutet), die gleich; sig verteilt und im Umgebungsraum isotrop gerichtet ist, aussetzt. Nachdem die Strahlung 4 durch den Schutzüberzug hindurchgegangen ist, erreicht sie die Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergeneratora. Dabei ist es daß nicht die ganze Strahlung 4 auf die Arbeitsfläche 3, sondern wenigstens ein für den betreffenden Photowandler 1 photoaktiver Teil des Strahlungsspektrums 4 auftrifft.
  • Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform des photoelektrischen Halbleitergenerators mit Photowandler 1 aus Silizium ist die photoaktive Strahlung fUr Silizium die Strahlung 4 in einem Welleniänenband von 0>4 L 1,1 mkm. Unter der Wirkung dieser Strahlung 4 entstehen üb@rschüssige Minoritätstr@ger, die zum pn-Ubergang hin angesammelw werden.
  • Die Strahlung 4 gellt durch den Schutzüberzug 2 teils dank der Innenreflexion von den mit Silber bedeckten Wänden der Elementen 12 und teils dank der Dirdctstrahlung ohne Anderung ihrer ursprünglich Richtung hindurch. Der photoeloktrinch inaktive Teil der Strahlung 4 wird von der Empfun~soberfläche 13 reflektiert oder vom Glas der Elemente 12 absorbiert.
  • Der Einfallwinkel einer schädigenden Strahlung 15 fällt im allgemeinen mit dem Einfallwinkel der Strahlung 4 zusammen.
  • Zum Unterschied vom photoaktiver Teil der Strahlung 4 wird die schädigende Strahlung beim Durchgang durch den Schutzüberzug 2 von den Wänden der Elemente 12 nicht reflektiert. Auf den Photowandler 1 trifft nur derJenige Teil der schädi#genden Strahlung 15 auf, der die Elemente 12 durchläuft, ohne die Zwischenschichten 13 zu berühren. Der übrige Teil des schädigende Strahlung 15 wird beim Auftreffen auf die Zwischenschichten 14,insbesondere Blei in bedeutendemMaße absorbiert.
  • Bei der isotropen Verteilung der schädigenden Strahlung 15 im Utn#ebungsraum wird (i e Wirksamkeit des Schutüberzugs 2 durch den Durchlässigkeitsfaktor "K" für die sch@@igende Strahlung 15, den nach Fi. 2 gemessenen @ffnungswinkel #max ° für die Elementen 12 und durch die Durchsichtigkeit des Schutzüberzugs 2 für den photoaktiven Teil der Strahlung 4, welche von den Abmessungen 1 und H der Elemente 12 abhängig sind, sowie durch'die Dicke d der Zwischenschichten 12 bestimmt.
  • Pur die Parameter, welche die Strahlenfestigkeit des photoelektrischen Halbleitergenerators in der zu den Reihen der Elemente 12 senkrechten Ebene bestimmen, ergibt oich die folgonde B@ziehu@g: Der maximale Durchlässigkeitsfaktor kmax der schädigenden Strahlung ist gleich: Je größer die Röhre H der Elemente 12 ist, desto besser ist die Absorptionsfähigkeit des Schutzüberzugs 2 und desto kleiner der Öffnungswinkel #max, aber die maximale Ilöhe wird vor allem durch die zulässigen Abmessungen und die zulässige Tasse welche m#glichsts klein gehalten werden sollen, sowie durch Verluste des photo aktiven Teilsder Strahlung 4 bei der Mehrfachreflexion von den Wänden der Elemente 12 begrenzt.
  • FUr die entsprechend den obendargelegten Überlegungen gewählte Höhe H werden die optimalen Schutzfähigkeiten Jedes Elementes 12 dann sichergestellt, wenn ihre Breite 1 geringer als die Höhe H oder dieser gleich ist. In diesem Falle wird der nach der Formel 1 gefundene Offnungswinkel #max geringer oder gleich 560 sein. Am besten gegen die Strahlung geschützt erweisen sich Die tief von der Arbeitsfläche 3 angeordneten Schichten des Basisbereiches 6, für die der Offnungswinkel #min minimal ist.
  • In allen Fällen muß man danach streben, den Offnungswin kel °Umax zu verkleinern> Jedoch wird bei unbegr@nzter Verminderung der Breite g#der Elemente 12 die auf je Einheit der Arbeitsfläche 3 bezogene Zahl der Zwischenschichten 14 gesteigert, was zur Beschattung der Arbeitsfläche 3 mit den undurchsichtigen Zwischenschichten 14 führt, Die Dicke d soll viel geringer als die Breite 1 der Elemente 12 dimensioniert sein, Jedoch steht der Verminderung der. Dicke d der Zwischenschicht 14 entgegen, daß schädigende Strahlung 15 durch Zwischenschichten 14 hindurchdringt, deren Dicke geringer als 1 mkm ist. Bei der Ausführung des photoelektrischen Halbleitergenerators mit einem Schutzilberzug 2 aus den Glaselementen 12 gemäß Fig. 1 und 2, bei denen 1 = 0,3 mm, H = 1 mm ist und zwischen denen die aus Blei bestehenden Zwischenschichten 14 von einer Dicke d = 0,01 mm angeordnet sind, erreichen mindestens 95% des photoaktiven Teils des Strahlungsspektrums den Silizium-Photowandler 1, wobei der Offnungswinkel °(maY der Elementen 12 des Schutzüberzugs 2 ungefähr gleich 150 ist und der Durchlässigkeitsfaktor kmax der schädigenden Strahlung 15 ca .0,085 beträgt. Der vorgeschlagene photoelektrische Halbleitergenerator besitzt also bezUglich der schädigenden Strahlung 15, die isot;rop in der senkrecht zu den Reihen der Elemente 12 des Schutüberzugs 2 verlaufenden Ebene gerichtet ist, eine Strahlenfestigkeit, die um ungefähr das 12 -fache die Strahlenfestigkeit des bekannten Schutzüberzugs in Form eines Glasplatte übersteigt, wobei der gleiche Wirkungsgrad, der von dem Einfallwinkel der Strahlung 4 praktisch unabhängig ist, infolge geringer Verluste durch die volle Innenreflexion beibehalten wird, so daß die Ausgangsleistung des photoelektrischen Halbleiterer generators z.B. für den Fall erhöht wird, wenn/als Bestandteil der Sonnenbatterie eines kosmischen Flugapparats, der nicht auf die Sonne orientiert ist, verwendet#:wird.
  • Gemäß Fig. 3 und 4 ist der SchützU:berzug als lichtleitende Matrix aus Elementen 12 in Miniaturbauweise ausgeführt> die der Form nach Parallelepipede darstellen, welche zur Arbeitsfläche unter einem Winkel t (Fig. 3) geneigt sind. Die Strahlung 4 und die schädigende Strahlung 15 sind senkrecht zur Empfangsoberfläche 13 des Schutzüberzugs 2 gerichtet.
  • Die geringe Masse und die kleinen Außenmaße eines solchen photoelektrischen Halbleitergenerators werden durch Verminderung der Dicke H des Schutzüberzugs 2 bis auf den Wert gesichert, der mit der Dicke h des Photowandlers 1 vergleichbar ist. Eine hohere Strahlenfestigkeit des Generators ist durch Neigung der Zwischenschichten 12 unter einem Winkel der von 900 verschieden ist, zur Arbeitsfläche 3 erreicht weil der maximale Öffnung@winkel #max (Fig. 4) vermindert wird.
  • Im allgemeinen Fall kann der Offnungswinkel #max in Abmax hängigkeit von der Geometrie der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 folgendermaßen ermittelt werden: bei H = 1 ~ tg# bei ##1 ~ tg'; bei H >1 tgf aei der Ausführung des Generators nach Fig. 4 wird bei einem Winkel #< 90° und H>1 ~ tg # die schädigende Strahlung durch die Zwischenschichten 14 vollständig zurückgehalten, während der photoaktive Teil der Strahlung 4 den Photowandler 1 nur durch die volle Innenreflexion erreicht.
  • Wenn die schädigende Strahlung 15 isotrop gerichtet ist, wird bei dem Schutzüberzug mit H=1 mm, 1=0,33 mm und ~es 450 der Durchlässigkeitsf'aktor kmax der schädigenden Strahlung 15 in einer senkrecht zu den Reihen der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 legenden Ebene nach den Formeln (2) und (5) ermittelt und ist gleich 0,05. Also hat der potoelektrische Halbleitergenerator eine 20' mal höhere Strahlenfestigkeit als die der bekannten photoelektrischen Halbleitergeneratoren mit dem Schutstibarzug in Form einer Glasplatte.
  • In Fig. 5 und 6 ist in zwei Ansichten der potoelektriscbe Halbleitergenerator gezeigt, der einen Photowandler 1 und einen Schutzüberzug 2 enthält, der als eine Matrix von Eleneunten 12 in Mikrominiaturbauweise aus#eführt ist, wobei Jedes Element die Form eines Zylinders hat, dessen Durchmesser D und Höhe H (Fig. 6) mit der Dicke h des Photowandlers 1 vergleichbar sind.
  • Die Elemente 12 sinti durch Zwischenschichten 14 miteinender verbunden, die in der Nähe der Empfangsoberfläche 13 senkrecht zu der letzteren gerichtet und in der Nähe der entgegengesetzten Oberfläche des Schutzüberzugs 2 unter einem Winkel## t geneigt sind, was die Schutzeigenschaften des Schutz-Überzugs 2 bezüglich der schädigenden Strahlung 15 erhöht. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist der Schutz gegen die schädigende Strahlung 15 besser als bei der zuvor beschriebenen &usführungsvariante des photoelektrischen HelUleitergenerators, weil die Zwischenschichten 14 Jedes Element 12 über dessen gesamt@@@antelfläche umgeben und nicht nur über zwei Seitenflächen.
  • Bei Vergrößerung des ijeigungswinkel T der P.Eantelrläche der Zylinder wird der Raumoffnungswinkel #max kleiner und gleichzeitig werden die Schutzeigenschaften des photoelektrischen Halbleitergenerators bezüglich der schädigenden Strahlung 15 verbessert. Bei der Dimensionierung der höhe H und des Durchmessers D für die Zylinder geht man von den Überlegungen aus, die für die Auswahl der Maße der Scllutztiberzugs 2 des in Fig. 1 abgebildeten photoelektrischen iialbleitcp generators gelten. Die optimalen Schutzeigenschafton bezüglich der schädigenden Strahlung 15 werden gewährleistet, wenn der Zylinderdurchmesser D geringer als die Höhe n oder gleich dieser ist, weil der Öffnungswinkel #max in diesem Falle vermindert wird.
  • Die besten Bedingungen für die Durchlässigkeit der Strahlung 4 sind bei kleiner Dicke d der Zwischenschichten 14 und geringer Höhe H zu verzeichnen.
  • Dadurch, daß die Zwischenschichten 14 in der Nähe der Empfangsoberfläche 13 unter dem Winkel von 900 zu dieser gerichtet sind, wird bei einem beliebigen Einfallwinkel der Strahlung 4 die rucswärtige Reflexion ausgeschlossen.
  • Fig. 7 zeigt einen photoelektrischen Halbleitergerator, der eine Vielzahl von zu einer Monolithstruktur vereinigten Photowandlern 1aus Slliziulls aufweist, die als Parallelepipede in Mikrominiaturbauweise ausgeführt sind, bei denen die Breite b und die Höhe H angenåhert gleich der Diffusionslänge L der Minoritätsträger im ;#!#sisbereich 6 sind. Die Photowandler 1 enthalten in der zur Arbeitsfläche 3 serj,crechten Ebene jeweils einen pn-Übergang 8 und einen Isotypübergang 10. Die Stromabnahmekontakte 5, welche an das Inversionsgebiet 7 angeschlossen sind, und die Stromabnahmekontakte 11, die an den Basisbereich 6 angeschaltet sind, liegen auch in der zur Arbeits,fläche 3 senkrechten Ebene und befestigen unterem -ander benachbarte Photowandler 1.
  • Der Schutzüberzug 2 besteht aus Elementen 12 in Gestalt von gläsernen optischen Konzentratoren, die die Strahlung 4 konzentrieren, und aus Zwischenschichten 14> die als Metall prismen, die die schädigende Strahlung 15 absorbieren, ausgebildet sind. Der Schutzüberzug wird an den Fhotowandlern 1 mit Hilfe einer Klebmittelschicht 16 festgeha1#en. Die Elemente 12 sind derart angeordnet, daß der Abstand von einem beliebigen Punkt des Brennflecks 17 der Elemente 12 bis zur Ebene der pn-Übergänge geringer als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich 6 der Photowandler 1 ist.
  • Eine höhere Strahlenfestigkeit und ein erhöhter WirkulXsgrad dieses photoelektrischen Halbleitergenerators gegenüber den in Fig. 1 bis 6 abgebildeten Generatoren werden dadurch erreicht, daß die Zwischenschichten 14 den größten Teil der Arbeitsfläche 3 der Photowandler 1 verdecken, so daß sich als ungeschützt höchstens 10% der Arbeitsfläche 3 erweisen.
  • Die gegen die schädigende Strahlung 15 ungerch'#tzten Bereiche der Arbeitsfläche 3 fallen mit dem Brennfleck 17 der Elemente 12 zusammen, wodurch die Innenreflexion der ganze phototiktive Teil des Strahlungsspekvrums 4 gesammelt wird.
  • Obwohl die Zonen 18 für de Erzeugung der Minoritätsträger, die unter der #;irkung des photoaktiven Teils der Strahlung 4 entstehen, und die der durch die schädigende Strahlung 15 bedingten Strahlungsdeffekte im Basisberech der Photowandler 1 zusammenfallen, ver;nindert aber der photoelektrische Halbleitergenerator seinen Wirkungsgrad dadurch nicht, daß der Abstsnd von der Zone 18 für die Erzeugung der Minoritätsträger bis zum pn-Übergang 8 kleiner als deren Diffusionslänge L ist ullsl alle Minoritätsträger den pn-(lborgang erreichen.
  • Jedoch kann die weitere Einwirkung der schadigenflen Strahlung 15 zu wesentlichen Deffekten in der Halbleiterstruktur und einer beträchtlichen Verminderung der Diffiisionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich 6 führen, was wiederum eine Senkung des Wirkungs#Prades vom Augenblick an verursacht, da die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisgebit 6 geringer wird als der Abstand vom Brennfleck 17 bis zum pn-0bergang 8.
  • Also ist die Zus#tzstrahlenfestigkeit des photoelektrischen Halbleitergenerators dem Verhältnis der Diffusionslän-e L der Minoritätsträger im Basisbereich 6 zu dom Abstand vom Brennfleck 17 bis zum pn-Ubergang 8 proportional.
  • Da der photoakti.ve Teil der Stahlung 4 im B@sisbereich in unmittelbarer Nähe d@@ @n-Übergangs 8 absorbiert winl, werden für die Minoritätaträger die Volumen-und Oberflachenrekombinationsverluste herabgesetzt, wächst der Sammelfaktor der sich zum pn-Übergang hin bewegenden Minoritätsträger an und wird der Wirkungsgrad des photoelektrischen Halbleitergenerators gesteigert.
  • Fig. 8 zeigt eine weitere Variante des photoelektrischen Halbleitergenerators, der eine Vielzahl von Germaniumphotowandler 1 in Mikrominiaturausführung enthält, die zu einer Monolithstruktur mittels Stromabnahmekontakte 5 und 11 vereinigt sind. Die Breite b und die Höhe h der Photowandler 1 sind mit der Diffusionslänge # der Minoritätsträger im Basisbereich 6 vergleichbar.
  • Die Ebenen der pn-Übergängen 8 und der Strombnabmekontakte 5 und 11 liegen senkrecht zur Arbeitsfläche 3. Der Schutz überzug 2 ist als Bestkörpermatrix aus Elementen 12 gefertigt, welche aus einem Halbleitermaterial, gegebenenfalls aus Silizium, bestehen. Das Halbleitermaterial fÜr die Elemente 12 wird von der Bedingung ausgehend gewählt, daß der phokoaktive Teil der Strahlung 4 durch den Schutzüberzug 2 hindurchgelassen werden muß. Dies ist nur dann möglich, wenn die verbolsene Zone des Halbleitermaterials für die Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 die Breite der verbotenen Zone des Materials für die Photowandler 1 des photoelektrischen Halbleitergenerators übersteigt.
  • Im Halbleitermatcrial Jedes Elemente 12 in durch Dotierung mit Phosphor ein pn-@@@rgang 19 des Schutzüberzugs aungeführt, 60 daß Jedes Element 12 zu einem Photowcindler wlrfl.
  • Dabei stollen din Zwischenschichten 14, die aus elektrisch leitendem Material, gegebenenfalls aus einer Nickelfolie, gefertigt sind, das mit Zinn-Blei-Lot (in Fig. 8 nicht abgebildet) bedeckt ist, Stromabnshmekontakte dar, die an das Inversionsgebiet 7 und den Basisbereich 6 der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 angeschlossen sind.
  • Die Breite 1 der Elemente 12 des Scbutzüberzugs ist der Breite b der Photowandler 12 gleich, während die Zwischenschichten dieselbe Dicke d wie die Stromabnaluaekontakte 5 und II haben.
  • Die Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 und die Photowandler 1 sind im Grundriß übereinandergelegt.
  • Die aus einer Nickelfolie mit Zinn-Blei-Lot gefertigten Zwischenschichten 14 schützen gegen die schädigende Strahlung ebenso gut wie die Zwischenschichten bei dem photoelektrischen Halbleitergenerator von Fig. 1 Um zur Arbeitsfläche 3 den photoaktiven Spektrumteil der Strahlung 4, der außerhalb der Kante des Hauptabsorptionsbandes eines Halbleitermaterials der Elemente 12 liegt, durch zulasselt, nimmt maA als Ausgangsmaterial einen hochohmigen Halbleiter, wie Silizium mit spezifischem Wiederstand von mehr als 1 Ohm. cm, und bedeckt die Seitenwände mit einer metallischen Spiegelschicht, z..B. Xliiminiumschicht, die unter der Nickelfolienschicht angeordnet ist.
  • Der im gegebenen Falle Gesicherte Schutz gegen die schädi gende Strahlung 15 ist dem Schutz des nach Fig. 1 ausgeführten photoelektrischen Halbleitergenerators gleichwertig, aber gegebenenfalls erzeugt der Schutzüber~ug 2 selbst eine zusd:'tz liche Leistung dadurch, daß von seinen Elementen 2 ein Kurzwellenspektrumteil der Strahlung 4 photogewandelt wird, der durch die Photowandler 1 mit hohem Wirkungsgrad nicht umeewandelt werden kann.
  • Somit enthält der in Zig. 8 dargestellte elektrische Halbleitergenerator zwei Matrizen oder zwei Photowandler--Stufen, yon denen Jede eine optimale Breite der verbotenen Zone für den bestimmten Spektrumteil der Strahlung 4 hat, was die Erhöhung der Spektralempfindlichkeit des photoelektrischen Halbleitergenerators und der zu erzeugende l,eistung e@möglicht.
  • In Fig. 9 ist ein photoelektrischer Halbleitergenerator gezeigt, bei dem der Schutzüberzug 2 aus Elementen 12 hergestellt ist, die aus einem Halbleitermaterial bestehen und Photowandler in Mikrominiaturausführung darstellen wie bei der obenbeschriebejion Ausf(ihrungsvariante des photoelektrischen Halbleitergenerators. Die Elemente 12 des o"ct#utzUberzuge sind zu einer Festkörpermatrix und die in Wikrornininturbauweise ausgeführten Photowandler ebenfalls zu einer Fen1;körpermatrix vereinigt. Die Elemente 12 des Schutzüberzugs verfügen über einzelne Stromabnahmekontakte 20. Die @eihe der Photowandler 1 und die Reihe der Elemente 12 sind in zueinander senkrechten Richtungen angeordnet. Die Elemente 12, welche Photowandler darstellon> wandeln den Kurzwellenspektruinant;eii der Strahlung 4 um, wä@rend der Langwellenspektrumanteil der Strahlung 4 zur Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergenerators durchgeht.
  • Die Energie der Strahlung 4 ist nicht gleichmaßig auf der Arbeitsfläche verteilt, sondern in einem Gebiet konzentriert, so daß die Strahlung 4 die Form eines Flecks hat.
  • Jeder Photowandler 1 und jedes Element 12 erzeugen die der Konzentration der Strahlungsenergie proportionalen Spannungen bzw. Ströme, welche von einzelnen Stromabnahmekontskten 20 abgenommen werden.
  • Dadurch wird das Anwendungsgebiet der vorgeschlagenen Variante des photoelektrischen Halbleitergenerators gegenüber dem in Fig. 8 gezeigten AusfUhrungsbeispiels erweitert.
  • Der photoelektrische Halbleitergenerator kann als Positions-Zweikoordinatengeber verwendet werden, der fähig ist, der Änderung der Konzentrationsungleichmäßigkeit der Energie der Strahlung 4 hochempfintllich zu folgen.
  • Ein elektrisches signals das an den einzelnen Str@mabna@-mekontakten entsteht und das die Information über eine Anderung von Parametern der Strahlung 4 trägt, kaijn nach der Verstärkung Systeme steuern, die die Strahlung 4 verfolgen.
  • Fig. 10 zeigt einen photoelektrischen Halbleitergenerator.
  • bestehend aus einem Photowandler 1 und einem Schutzüberzug 2, der aus zwei Matrizen aus Glaselemen@en 12 besteht, die mit Hilfe einer Schicht 21 aus durchsichtigem Xlebmittel miteinander werbnden sind. Jede lichtloitende Matrix besteht aus Elementen 12, die parallelepipedförinig ausgeführt sind, und Zwischenschichten 14 aus Bleifolie aufweisen.
  • Die Seitenflächen der Elemente 12 und die Zwischenschichten der oberen Matrix 22 des Schutzüberzu6s 2 erstrecken sich senkrecht zur Empfangsoberfläche 13, während in der unteren Matrix 23 die Zwischenschichten 14' und die Seitenflächen 12' zur Arbeitsfläche 3 unter einem Winkel geneigt sind. Die Matrizen 22 und 23 sind zueinander so angeordnct, daß die Zwischenschichten 14 und 14' an den Berührungsstellen völlig zusammenfallen und zueinander unter einem Winkel # angeordnet sind.
  • Die Anordnung der Zwischenschichten unter der Winkel zueinander sichert einen vollkommeneren Schutz gegen die schädigende Strahlung 15, die zur Empfangsoberfläche 13 des Schutz-Überzugs 2 unter verschiedenen Winkeln gerichtet ist. Bei der optimalen Dimensionierunz der Elemente 12 und 12 uowlo die WLnkolo # zwischen don Zwischenschichten 14 und 14s' wird die schädigende Strahlung 15, die sich längs einer beliebigen, die Empfangsoberfläche 13 durchschneidenden Geraden fortpflanzt, durch die Zwischenschicht 14 oder 14' abßorbiert, wobei der schutz gegen die schädigende Strahlung maximal ist.
  • In einem solchen photoelektrischen Halbleitergenerator ist der Photowandler mit dem Schutzüberzug 2 gegen die schädi gende Strahlung 15 sbgeschirmt, und der photoaktive Spektrumteil der Strahlung 4 erreicht die Arbeitsfläche 3 daiik der vollen Innenreflexion von den Seitenwänden der Elemente 12 oder 12'.
  • Die Ausführung des photoe lektrischen Halb leitergeneratorS nach Fig. 10 ermöglicht auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades, weil der durch die Zwischenschichten 14 und 14' besetzte Teil der Arbeitsfläche 3 bedeutend verringert wird im Vergleich zu dem in Fig. 5 und 6 dargestellten photoelektrischen Halbleitergenerator.
  • In Fig. 11 ist noch eine Variante des photoelektrischen gezeigt Halbleitergenerators, bestehend aus Photowandlern 1, die als Mikrominiaturparallelepipede ausgeführt sind, deren Breite b und Höhe h mit der Diffusionslänge L der Uinoritätstrager im Basisbereich 6 vergleichbar sind. Die Photowandler 1 mit Je einem pn-Ubergang 8 und einem Isotypübergang 10 sind zu einem Festkörperblock mittels Stromabnahmekontakte 5 vereinigt.
  • Der Basisbereich 6 ist ein Tcil der Arbeitsfläche 3, die mit einer Klebmittelschicht 16 aus dielektrischem Material bedeckt ist.
  • Der Sehutzüberzug 2 2mit metallischen Zwischenschichten 14 gefertigte die zu einer gemeinsamen Stromableitungsschiene 24 herausgeführt und mit einer elektrisch leitenden Schicht 25 elektrisch verbunden @ind, die zwischen dem Schlutzüberzug 2 und einer klebemittelschicht 16 aus dielektrischem Material angeordnet ist. An die Stromableitungsschiene 24 ist der eine Pol einer Gleichspannun#squelle 26 angeschlossen, deren andere Pol mit dem Basisbereich 6 über einen der Stromabnahmekentakte ei vebunden ist.
  • Die elektrisch leitende Schicht 25 ist eine dünne durchsichtigte Folie, z.B. aus Zinndioxyd, und wirkt, als Elektrode, die die elektrische Feldstärke auf der Arbeitsfläche 3 steuert. Um eine hinreichend hohe Stnrke des elektrischen Feldes von etwa 106 V/cm zu erzeugen, wird die Klebmittelschicht 16 bei einer relativ geringen Spannung an der Quelle 26 aus dielektri@chem Material möglichst dünn bergestellt.
  • Beim Anschluß des negativen Pols der Quelle ,6 an den Basisbereich 6 mit p-Leitfähigkeit und des positiven Pols der Quelle 26 an die gemeinsame Stromableitungsschie@e 24 und bei der Erzeugung einer Gleichspannung (N100 V) zwischen der elektrisch leitenden Schicht 25 und dem Basisbereich 6 werden die Minoritätsträger im Basisgebiet 6 (Elektronen) in der Nähe der Arbeitsfläche 3(sog. Feldeffekt) des photoelektrischen albleitergeneretore angesammelt, wobei die Elektronenkonzentration in der Nähe der Arbeitsfläche die konzentration der Majoritätsträger im Basisbereich 6 übersteigt, so daß ein zu-@ätzliches Inversionsgebiet (in Fig. 11 nicht mitgezeichnet) gebildet wird, das parallel zur Arbeitsfläche liegt, die Vonl Basisbereich durch einen pn-Ubergang (in Fig. 11 nicht gezeigt getrennt ist, der sich mit dem schon im Basisbereich vorhan<Ienen pn-Ubergang 8 verbindet.
  • Um die Überbrückung der zusätzlichen pn-Übergänge durch die Sromabnahmekontakte 5 und 11 zu vermeiden, werden auf der Arbeitsfläche 3 durch das chemische Ätzen Nuten 27 eingearbeitet, deren Tiefe einige Male höher sein muß als die Dicke der Klebmittelschicht 16, um die elektrische Feldstärke am Boden der Nuten 27 herabzusetzen.
  • Im Vergleich mit dem photoelekfrischen, in Fig. 1 gezeigten Halbleitergenerator besitzt der gegebene Generator einen höheren Wirkungsgrad, was mit Hilfe des Feldeffekts gesichert wird, durch den über die ganze Arbeitsfla"che 3 eine zusätzliche Potentialbarriere für die Minoritätatrager gebildet ist, durch die die Oberflächenrekombination der blinoritätsträger praktisch auf Null gebracht wird. Je nach dem Ladungsträgervorzeichen an der elektrisch leitenden Schicht vom n--Leitungstyp des Basisbereiches 6 entsteht ein zusätzlicher Isotypübergang bzw. ein zusätzliches Inversionsgebiet und folglich auch ein zusätzlicher pn-Übergang. Infolge seiner geringen Dicke und guten elektrophysikalischen Eigenschaften erhöht das genannte Inversionsgebiet die Spektralempfindlichkeit der Photowandler 1 im Kurzwellenbereich der Strahlung 4 und den zu erzeugenden Photostrom.
  • In Fig. 12 ist eine weitere Variante des photoelektrischen Halbleitergenerators dargestellt, der aus Photowa@@lern 1 besteht, die als Mikrominiaturparallelepipede ausgebildet sind, die zu einer elektrischen Parallelschaltung verbunden und zu einem Festkörperblock mittels Stromabnahmekontakte 5 zusammengefaßt sind. Jeder Photowandler 1 hat an den Seitenflächen pn-Ubergänge 8 und Stromabnahmekontakte 11 zum Basisbereich 6, der bis zur Arbeitsfläche 3 hinaufgeht, die mit einer Klebmittelachicht 16 bedeckt ist. Die Elemente 12 aus einem Halbleitermaterial sind mit einer Breite der verbotenen Zone auagefübrt, die die verbotene Zone des Photowandlere 1 übersteigt, und stellen Photowandler in Mikrominiaturausf~hrung der, die hintereinander mittels metallischer Zwischenschichten 14 verbunden sind. Die Oberfläche des Schutzüberzugs 2, die der Arbeitsfläche 3 zugewandt ist, ist mit einer durchwichtigen dielektrischen Folie 28 bedeckt.
  • Zwischen der durchsichtigen die/lektrischen Folie 28 und der Klebmittelachicht aus dielektrischem Material ist eine durchsichtige elektrisch leitende Schicht 25 angeordnet, die als Steuerelektrode dient. Mittels eines Leiters 29 ist die elektrich leitende Schicht 25 an die erste Ableitung 30 des S'erienstromkreises der Elemente 12 des Schutzüberzugs exEeschlossen, die, wie schon erwähnt, einen Photowandler in Mikrominiaturausführung darstellen. Die zweite Ableitung 31 des Serienstromkreises der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 ist mittels eines Leiter 32 mit den Stromabnahmekontakten 11, die zu einer gemeinsamen Stromableitungeschiene 33 hereuseeführt ist, und folglich mit den Basisbereichen 6 der Fotowandler 1 verbunden.
  • Die Anzahl der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2, die Dicke der Klebemittelschicht 16 und das Ladungszeichen der elektriscç eitenden Schicht sind in der Weise ausgewählt, daß auf die Arbeitsfläche 3 unter der Wirkung des Feldeffekts eine elektrische Feldstärke von etwa 106 V/cm erzeugt wird, so daß in unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläche 3 ein pn-Übergang (in Fig. 12 nicht gezeigt) gebildet wird, der parallel zu der Arbeitsfläche 3 liegt und die früher erzeugten pn-Uebergänge 8 untereinander verbindet.
  • Das zusätzliche Inversionsgebiet, daß mit Hilfe des Feldeffekts (siehe die Beschreibung der in Fig. 11, 12 gezeigten photoelektrischen Halbleitergeneratoren) gebildet wird, ist dünnerbbemessvn als das durch Dotierung erhaltene Inversionsgebiet 7, und die Minoritätsträger im zusätzlichen Inversionsgebiet besitzen eine längere Lebenszeit als die im Inversionsgebiet 7, wodurch die Spektralempfindlichkeit der Photowandler 1 im Kurzwelienbereich gesteigert wird.
  • Der photoelektrische ilalbleitergenerator (Fig. 12) weist gegenüber den Fig. 8 und 11 dargestellten Generatoren, bei denen die Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 ebenfalls als Photowandler aus Halbleitermaterial ausgeführt sind, einen höheren Wirkungsgrad auf. Der Wirkungsgrad wird durch gestelgert, daß der für die Photowandler 1 inaktive Teil der Strahlung 4 durch die Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 umgewandlet wird.
  • In Fig. 13 und 14 ist eine weitere Ausführungsvariante des photoelektrischen Iiülbleitergenerators in einer Draufsicht (Fig. 133 und einer Seitenansicht im Schnitt (Fig. 14) dargestellt.
  • Die Elemente 12 (Fig. 14) des Schutzüberzugs 2 sind als Glasparallelepide ausgeführt. Die Zwischenschichten 14 sind aus einem elektriscbleitenden Material mit geringem spezifischen Widerstand z.B. sus Kupfer, gefertigt, sowie miteinander elektrisch verbunden und zu einer gemeinsamen Stromableitungsschiene 24 herausgefiihrt. Der Schutzüberzug 2 ist auf der Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergenerators durch Verlötung der Zwischenschichten 14 mit den Stromabnahmekontakten befestigt, wobei die Zwischenschichten 14 senkrecht au den Leiterbahnen der Stromabnahmekontakte 5 (Fig. 13) liegen. Der Stromabnahmekontakt 11 (Fig. 14) zum Besisbereich 6 ist als durchgehende Platte ausgeführt.
  • Die Querschnittsfläche der Zwischenschichten 14 ist um so viel größer als die Querschnittsfläche der Stromabnalmekontakte 5. Proportional zur Änderung des Verhältnisses der genannten Querschnittsflächen wird der elektrische Widerstand der Zwischenschichten 14 geändert. Der mit 1 bezeichnete Abstand der Zwischenschichten 14 übersteigt 1 mm nicht.
  • Neben der erhöhten Strahlenfestigkeit ermöglicht somit in dev Fig. 13 und 14 gezeigte Aufbau des photoelektrischen Halbleitergenerators die Verminderung der Leistungsverluste durch die Widerstände der Stromabnahmekontakte 5. Eine zusämtliche Verminderung des Serienwiderstandes des Photowandlers 1 ergeben sich dadurch, daß der Widerstand im Inversionsgebiet in Folge des verringerten Abstandes t<1 mm zwischen den Stromabnahmekontakten herabgesetzt wird, deren Breite ungefähr 10 mkm beträgt.
  • Dank dem niedrigen Serienwiderstand des Photowandlers 1 wird der hohe Wirkungsgrad des photoelektrischen Halbleitergenerators bei erhöhten Xonzentrationen (etwa 10 W/cm2) der Strahlung 4 beibehalten und der Generator ist fähig, die Leistung von etwa 1 W je 1 cm2 der Fläche des Photowandfers 1 zu erzeugen.
  • In Fig. 15 ist eine weitere Variante eines #hotoelektrischen Halbleitergenerators gezeigt, bei dem die Außenflächen der Stromabnahmekontakte 5, die über die Arbeitsfläche 3 hinaustragen, vollständig übereinandergelegt und mit den Zwischenschichten 14 des Schutzüberzugs 2 verbunden sind. Alle Zwischenschichten 14 sind aus Kupfer gefertigt und zu einer gemeinsamen Schiene 24 herausgeführt.
  • Das Material der Zwischenschicht 14 reduziert den elektrischen Widerstand längs der Stromabnahrnekontakte 5 um so viel, wie die Höhe H der Zwischenschicht 14 die Dicke des Stromabnabmekontakts übersteigt. Zur Verringerung des Ausbreitungs widerstands zwischen den Stromabnahmekontakten 5 ist im.
  • Inversionsgebiet über dem pn-Übergang 8 der Abstand zwischen den Stromabnahmekontakten 5 geringer als 1 mm. Die Breite der Stromabnahmekontakts 5 ist ungefähr der Dicke d der Zwischenschichten 14 gleich und beträgt nicht mehr als 0,1 mm.
  • Der Balbleitergenerator, dessen Aufbau nach Fig. 15 ausgeführt ist, besitzt einen höheren Wirkungsgrad gegenüber dem in Fig. 13 und 14 dargestellten photoelektrischen Halbleitergenerator und stellt die Ausgangsleistung von etwa 5 W je 1 ca2 Arbeitsfläche des Photowandlers 1 bei einer hohen Xonzentration der Strahlung 4 durch Verringerung der Beschattung der jrbeitsfläche 3 mit den Zwischenschichten 14 und durch einen kleineren Serienwiderstand des photoelektrischen Halbleitergenerators sicher.
  • Der Photowandler 1 (Fig. 16) des photoelektrischen Halbleitergenerators weist in unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläehe 3 einen Isotypübergang 10 auf, während in der Nähe der Bückenfläche 9 ein pn-Übergang 8 angeordnet ist, der vom Isotypübergang 10 in einem Abstand 8 liegt, der kleiner ist als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisgebiet 6.
  • Der plattenförmig ausgebildete Stromabnahmekontakt 5, angeschlossen an das Inveisionsgebiet 7, ist aus einem mit Kupferfolie überzogenen Nickelfilm gefertigt und bedeckt die ganze Bückenfläche 9 des photoelektrischen Halbleitergenerators. Die Zwischenschichten 14 des Schutzüberzugs 2 bestehen aus Kupfer und sind an die Stromabnahmekontakte J1 angelötet, die über die Arbeitsfläche 3 hinausragen und an den Basisbereich 6 angeschlossen sind. Bei einem solchen photoelektrischen Halbleitergenerator bleibt der Ausbreitungswiderstand im Inversionsgebiet 7, das vom Basisgebiet 6 durch den pntbergang 8 getrennt ist, praktisch aus; vernachlässigbar gering ist auch der Widerstand längs der zusammen an eine gemeinsamen Stromableitungsschiene 24 angeschlossenen Stromabnahmekontakte 11 bzw. Zwischenschichten 14, wobei der Ausbreitungswiderstand im Basisbereich 6 ebenfalls klein ist, weil die Breite 1 der Elemente 12 des Schutzüberzugs 2 die Dicke des Basisbereiches 6 nicht übersteigt. Dank den obenerwähnten Umständen werden der Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung des photoelektrischen Halbleitergenerators bei äußerst hohen (mehr als 50 W je 1 cm2) Konzentrationen der Strahlung 4 gesteigert.
  • Eine geringe Breite 1 der Elemente 12 führt dazu, daß bei einer Strahlungsdichte. von etwa 100 W/cm2 im Basisbereich 6 die Konzentration der photoangeregten Ladungsträger um einige Größenordnungen höher liegt als die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration, wodurch der Ausbreitungswiderstand im Basisbereich 6 angenähert proportional der Leirttungazunahme der Strahlung 4 verringert und der Betriebsbereich des photoelektrischen Halbleitergenerators erweitert wird in welchem eine lineare Abhängigkeit des zu erzeugenden Stroms bzw. der AusCunGsleistung von der Loistung der Strahlung 4 beibehalten wird.
  • In Fig. 17 ist eine schematische Darstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators (Kreis A) in Verbindung mit einem Sonnenenergiekonzentrator 34 gezeigt. Die Stahlung 4 trifft auf den Konzentrator 34 und fällt nach der Reflektion von dessen Oberfläche auf die Empfangsvoberfläche 13 des Schutzüberzugs 2 des photoelektrischen Halbleitergenerators.
  • In Fig, 18 ist der photoelektrischer Halbleitergenerator von Fig. 17" schematisch dargestellt.
  • Der Schutzüberzug 2 (Fig. 18) besteht aus einem Satz von Elemente 12, die als Glasbänder ausgeführt sind, die in der Nähe der Empfangsoberfläche 13 des Schutzüberzugs 2 aneinander anliegen und fächerförmig in Richtung der Arbeitsfläche 3 und in der Nähe der letzteren auseinandergehen. Der Abstand zwischen den Enden der auseinandergehenden Abschnitte beträgt 1 mm. Zwischen diesen Enden liegen die Zwischenschichten 14 aus Kupfer, die an eine gemeinsame Stromableitungsschiene 24 angeschlossen sind.
  • Der Schutzüberzug 2 ist auf der Arbeitsfläche 3 durch Verlötung der Zwischenschichten 14 mit den Stromabnahmekontakten 11 des photoelektrischen Halbleitergenerators bebefestigt.
  • Die Abstand zwischen den benachbarten Stromabnahmekontakten 11 ist der Breite der Elemente 12 gleich, und insgesamt b bilden diese Abstände die Empfangsoerfläche 13, die die Strahlung 4 aufnimmt.
  • Der an das Inversionsgebiet 7 angeschlossen Stromabnahmekontakt 5 ist als durchgehendes Stück ausgeführt, verdeckt die ganze Rückenfläche 9 und ist an eine Kupferplatte angelötet.
  • In unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläche 3 liegt ein Isotypübergang 10, während ein pn-Übergang 8 nahe der Rüchenfläche 9 des photoelektrischen Halbieitergenerators angeordnet und vom Isotypübergang 10 in einem Abstand entfernt ist, der geringer als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich 6 ist.
  • Solch ein photoelektrischer Halbleitergenerator besitzt gegenüber dem in Fig. 16 gezeigten photoelektrischen Halbleitergenerator einen höheren Wirkungagrad, besonders bei äußerst hohen Konzentrationen des Strahlungsflusses 4, dadurch, daß die Zwischenschichten 14 keine Fläche auf der Empfangsoberfläche 13 einnehmen. Dieser Umstand bedingt das Ausbleiben von Absorptionsverlusten der Strahlung 4 an den Zwischenschichten 14. Der Wiederstand der Stromabnahmekontakte 11 ist ebenfalls gering, so daß die Leistungsverluste auf ein Minimum gebracht werden. Das letztere wird darurch erreicht, daß eine verhältnismäßig große Dicke d für die Zwischenschichten 14 und dementsprechend eine große Breite für die Stromabnahmekontakte 1 t gewählt werden kann, wodurch der Kontaktübe rtragungswiderstand zwischen Metall und Halbleiter vermindert wird.
  • Die üblichsten Abmessungen des Photowandlers 1 aus Silizium und des Schutzüberzugs 2 sind: 0,3 mm starke Glasbänder betragen 1 cm2 der Empfangsoberfläche 13, Höhe H (Länge der Bänder) /Fig. 17/ des Schutzüberzugs bis einige Zentimeter, Breite der Stromabnahmekontakte 11 und Dicke d (Fig. 18) der Zwischenschichten = 1 mm, Dicke des Photowandlers 1 (Fig.17) h = 0,1 mm, Eindringtiefe des Isotypübergang 10 ungefähr 0,1 mkm, Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisbereich 6 ca. 0,5 mm.
  • Die Empfangsoberfläche 13 und die Arbeitsfläche 3 enthalten vergütete Überzüge, während die Oberflächen der Glasbänder eine geringere Brechungszahl besitzen als das Glasvolumen.
  • Dieser Generator hat bei einer Arbeitstemperatur von 30 bis ,40°C und eine r Einfallstrahlungsleistung von etwa 1000 W/cm2 einen Wirkungsgrad von mehr als 10%.
  • In Fig. 19 ist ein photoelektrischer Halbleitergenerator schematisch dargestellt, der mit einem Schutzüberzug 2 versehen ist, der dem Schutzüberzug 2 des nach Fig. 18 ausgeführten photoelektrischen Halbleitergenerators ähnlich ist.
  • Die mit Hilfe eines Prismas 35 spektral zerlegte Strahlung 4 gelangt auf die Empfangsoberfläche 13. Der photoaktive Teil der Strahlung 4 verläuft längs der fächerförmig auseinandergehenden Elemente 12 und gelangt aus die Arbeitsfläche 3. Jeder Photowandler 1 ist aus einem Halbleitermaterial gefetigt, dessen Breite der verbotenen Zone der maximalen Photoempfindlichkeit für die betreffende Wellenlänge der Strahlung 4 entspricht, die auf die Arbeitsfläche 3 gelangt.
  • Die Photowandler 1', 1" und 1"' sind z.B. aus GaAs, Si bzw. Ge gefertigt und in einem Rohr 36 mit Kühlflüssigkeit untergebracht.
  • In Fig. 20 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils des photoelektrischen Halbleitergenerators wiederGegeben, der schematisch in Fig. 19 gezeigt ist. Der Photowandler 1' mit Basisbereich 6' aus GaAs weist in der Nähe der Arbeitsfläche 3' eine Heteroübergangsschicht 37 mit der Struktur GaAs-Aly Ga1#x As auf.
  • Die Photowandler 1" und 1"' aus Silber bzw. Germanium haben in der Nähe ihner Arbeitsfläche83"' Isotypübergänge 10" bzw. 10"'. Die Stromabnahmekontakte 5' des Photowandlers 1' sind mit den Zwischenschichten 14 verlötet und stellen eine einheitliche metallische Stromableitung dar.
  • Alle Photowandler weisen eine Arbeitsfläche in Form eines Schlitzes von 0,2...0,5 mm Breite auf, der in den Stromabeahmekontakten 5 ausgeführt ist. Diese Photowandler sind zu einer elektrischen Schaltung mittels Leiter 38 miteinander verbunden.
  • Bei den Photowandlern 1" und 1' sind die Stromabnahmekontakte 11" bzw. 11"' mit den Zwischenschichten 14" und ihr"' des Schutzüberzugs 2 verbunden.
  • Bei diesem photoelektrischen Halbleitergenerator wird ein erhöhter Wirkungsgrad> besonders bei äußerst hohen Konzentrationen der Strahlung 4, dadurch erzielt, daß die Strahlung in einem breiten Spektralbereich bei der günstigsten Temperatur der Photowandler 1 effektiv umgewandelt wird, wobei die Strahlung 4 in Bestandteile spektral getrennt ist und in die Photowandler 1 durch eine Oberfläche hindurch eingeführt wird, die die maximale Empfindlichkeit für die betreffende Wellenlänge besitzt. Im allgemeinen Fall können für Jeden Photowandler 1 einige ähnliche Oberflächen vorgesehen sein, durch die hindurch die Strahlung eingeführt wird.
  • Die Strahlenfestigkeit der in Fig 11 bis 14 und Fig. 16 bis 20 dargestellten photoelektrischen Halbleitergeneratoren ist ungefähr gleich der Strahlenfestigkeit des in Fig. 1 gezeigten Generators. Bei dem in Fig. 15 abgebildeten Halbleitergenerator, der eine erhöhte Strahlfestigkeit besitzt, ist diese gleich groß wie bei dem gemäß Fig. 3 und Fig. 4 ausgeführten Generator.
  • Das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 15 dargestellten photoelektrischen Halbleitergenerators wird an Hand von nachstehenden Beispielen veranschaulicht.
  • Der in Fig. 1 gezeigte photoelektrische Halbleiterge nerato; der insbesondere aus einem Photowandler besteht, wird nach der üblichen Technologie hergestellt wird, deren Hauptschritte sind: Vorbereitung der Oberflächen von Siliziumplatten, Schaffung der pn-Ubergänge 8 und Isotypübergänge 10 durch Störstellendiffusion bis auf eine Tiefe von 0,1...0,5 mkm>* Aufbringung der Stromabnahmekontakte 5 und 11, Aufbrindung eines vergüteten Überzugs auf die Arbeitsfläche 3.
  • Zur Herstellung des Schutzüberzugs 2 mit geringen Verlusten der Strahlung 4 siedet man die Glasbänder tn einer Essigsäure Iösungt wpbe i main der Oberfläche ein Film erhält wird, dessen Brechungszahl geringer ist als die im Glasvolumen. Zwischen die Glasbänder wird Bleifolie gelegt. Die Ränder werden an ihrer gesamten Seitenfläche zu einer Säule zusammengeklebt. Darauf wird die so erhaltene Säule in licht leitende Matrizen zerschitten, welche man poliert und an die Arbeitsfläche 3 des photoelektrischen Halbleitergenerators derart anklebt, daß die Zwischenschichten 14 aus Blei mit den Stromabnahmekontakten übereinandergelegt werden.
  • Die Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 3,4 wird auf ähnliche Weise, wie oben beschric ben, durchgeführt, der Unterschied aber besteht darin, daß die licht leitenden Matrizen des Schutzüberzugs 2 aus einer Säule unter einem Winkel T zur Ebene der Glasbänder aufgeschnitten werden.
  • Zur Herstellung des in Fig. 5 und 6 gezeigten photoelektr schen Halbleitergenerators werden dieselben Verfahrensschritte wie beim in Fig. 1 dargestellten photoelektrischen Halbleitergenerator durchgeführt nur mit den Unterschied, daß man die Säule aus entsprechenderweise gebogenen Glasstäben zusammen * mkm- mikrometer faßt, die mit Hilfe eines Klebmittels zusammengeklebt werden, das als Füllstoff ein Bleipulver enthält. Darauf wird die Säule unter einem bestimmten Winkel t zur Seitenfläche der Stäbe zerschnitten.
  • Um den photoelektrischen Halbleitergenerator gemäß Fig.7 herzustellen, werden untereinander die beiderseits mit einem Metall bedeckten Siliziumplatten mit Je einem pn-Übergang 8 und einem Isotypübergang 10 über die gesamte Seitenfläche zu einer Säule zusammengelötet, worauf die Säule in Matrizen senkrecht zur Ebene der Übergänge zerschnitten wird. Dann wer den die Matrizen abgekantet, deren beide Fläche poliert, worauf auf die Arbeitsfläche 3 ein vergüteter Uberzug aufgebracht ist. Der Schutzüberzug 2 wird aus profilierten'> in einer siedenden Essigsäurel5sung behandelten Glaselemente 12 gefertigt, die in eine Reihe zusammengelegt werden. Dann fixiert man die sphärische Oberfläche der Elemente 12 mit Waraphin, fühlt die Zwischenräume der Elemente 12 mit einem Klebmittel aus, das einen Füllstoff aus Bleipulver enthält.
  • Danach wird die mit dem Klebmittel bedeckte Oberfläche geschliffen und poliert, bis das erforderliche Maß des Brennflecks erhalten wird. Der Schutzüberzug 2 wird an die Arbeits fläche 3 derart angeklebt, daß der Rand des Brennflecks 17 mit der Stelle zusammenfällt, wo der pn-Übergang bis zur Oberfläche hinaufgeht.
  • Zur Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 8 werden die beiderseits mit einem Metall bedeckten Germaniumplatten mit je einem pn-Über0#ang verwendet, die untereinander zu einer Säule zusammengelötet werden. Die Säule wird in Matrizen senkrecht zur Ebene der pn-Übergänge aufgeschnitten. Dann werden die Matrizen abgekantet und deren beide Flächen poliert. Der Schutzüberzug 2 wird aus Siliziumplatten ähnlich v wie oben beschrieben, susgeführt, Jedoch bilden die metallenen Kontakte an der Grenze mit dem Silizium eine Spiegelfläche. Die Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 9 wird auf ähnliche Weise, wie beim in Fig. 8 gezeigten Generator beschrieben, durchgeführt; der Unterschied aber besteht darin, daß an Jeden Photowandler 1 und Jedes Element 12 des Schutzüberzugs 2 eigene Stromabnahmekontakte 20 angelötet werden.
  • Zur Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 10, werden dieselben Verfahrensschritten wie beim in Fig. 1 und 3 gezeigten Generator durchgeführt; der Unterschied aber besteht darin, daß man auf den Schutzüberzug 2 der Elemente 12, die zur Arbeitsfläche 3 geneigt sind, die zweite Schichte des Schutzüberzugs 2 klebt, dessen Elemente 12 so ausgeführt sind, daß die Zwip schenschichten 14' senkrecht zur Emfangsoberfläche 13' angeordnet sind.
  • Zur Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 11 werden die beiderseits mit einem Metall bedeckten Siliziumplatten mit be einem pn-Übergang 8 verwendet, die untereinander zu einer Säule zusammengelötet werden. Die so erhaltene Säule wird in Matrizen senkrecht zur Ebene der pniibergange 8 zerschnitten. Dann werden die Matrizen abgekantet. Der Schutzüberzug 2 wird auf ähnliche Weise gefertigt, wie es bei der Herstellung des Schutzüberzugs 2 des gemäß Fig. 1 ausgeführ#ten Generators der Fall ist, Jedoch sind hierbei sämtliche Zwischenschichten 14 miteinander elektrisch verbunden und zu einer gemeinsamen Stromableitungsschiene 24 hinausgeführt> wobei auf die Oberfläche des Schutzüberzugs 2 eine elektrisch leitende durchsichtige Schicht aus Zinndioxyd, z.B. durch die Vakuumbedampfung aufgebracht wird. Der Schutzüberzug 2 wird an den Photowandler 1 mit Hilfe einer dünnen Klebmittelschicht 16 angeklebt, die eine elektrische Feldstärke von etwa 106 V/cm aushält.
  • Zur Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 12 werden die beiderseits mit einer Metallschicht bedeckten Germaniumplatten mit Je einem pn-Über#.ang 8 verwendet, die untereinander zu einer Säule zusammenzelötet werden. Die Säule wird in Matrizen zerschnitten. Dann werden die beiden Flächen der Matrizen poliert und die Stromabnahmekontakte zum Basisbereich sämtlicher Photowandler 1 aufgebracht.
  • Die Arbeitsfläche 3 wird hierbei durch die Vakuumbedampfung zunächst mit einem durchsichtigen dielektrischen Film 28 aus Glas und dann mit einer durchsichtigen Schicht aus Zinndioxyd bedeckt.
  • Der Schutzüberzug 2 aus Siliziumplatten wird ähnlicherweise wie auch der Schutzüberzug 2 des in Fig. 8 gezeigten Generators gefertigt.
  • Bei der Herstellung des photoelektrischen I.Ialbl<#itergenerators gemäß Fig. 13,14 werden dieselben Verfahrensschritte wie beim in Fig. gezeigten Generator durchzeführt; der Un#erschied aber besteht darin, daß der Schutzüberzug 2 am Photowandler durch Verlötug der Zwischenschichten 14 aus Kupferfolie mit den Stromabnahmekontakten 5 befestigt.
  • Die Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 15 wird ähnlich verwirklicht; Jedoch besteht der Unterschied nur darin, daß die L"bereinanderlegung der Stromabnahmekontakte 5 mit den Zwischenschichten 14 im Grundriß nach, Lithographiemethoden vorgenommen wird, wobei als Photoschablone der Schutzüberzug' 2' dient.
  • Die Herstellung des Generators gemäß Fig. 16 wird auf ähnliche Weise wie beim gemäß Fig. 15 ausgeführten Generator verwirklicht; der Unterschied aber besteht nur darin, daß der Siliziumphotowandler 1 mit einem Isotypübergang 10 an der Arbeitsfläche 3 ausgeführt ict, während die Zwischenschichten 14 mit den Stromabnahmekontakten 11 elektrisch verbunden sind.
  • Zur Herstellung des photoelektrischen Halbleitergenerators gemäß Fig. 17 und 18 wird eine beiderseits mit einem Metall bedeckte Platte mit einem pn-iubergang 8 und einem Isotypübergang 10 genommen. Durch Lithographiemethoden werden die Stromabnahmokontaktc 5 zum IsotypUberzung 10 gefertigt. Der Schutzübergang 2 wird aus gebogenen, in einer Essigsäurelösung behandelten Glasbändern hergestellt. Die Oberfläche der Bänder wird an einem Ende derselben metallisiert, während an dem anderen Ende die Bänder untereinander zu einem dichten Paket zusammengeklebt werden. Der Schutzüberzug 2 wird an der Arbeitsfläche 3 durch Verlötung der Stromabnahmekontakte 5 mit den metallenen Zwischenschichten 14 befestigt.
  • Die Herstellung des Generators nach Fig. 19 und 20 wird ähnlicherweise vorgenoLcen; der Unterschied aber besteht darin, daß Je ein Photowandler 1 durch Lötung an den fächerförmig auseinandergehenden elemente 12 des Schutzüberzugs 2 befestigt ist.
  • In allen Fällen kann man an Stelle des pn-Übergangs die 8chottxy-Barriere anwenden. Die Auswahl irgendeiner Gleichrichtungsbarriere läßt sich darauf zuriickführen, daß die Anwendung der Schottky-Barriere die Herstellungstechnologie des photoelektrischen Halbleitergenerators vereinfacht, während der pn-8bergang einen höheren Umwandlungswirkungsgrad sichert.
  • Die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichen die Herstellung des Generators mit. dem Schutzüberzug 2, der aus Mikrominiaturelementen 12 besteht, deren Zusammenbau mechanisiert werden kann.
  • Im Vergleich mit den bekannten photoelektrischen Halbleitergeneratoren gestattet die vorliegende Erfindung, die Strahlenfestigkeit um einige zehn Male zu erhöhen, ohne die üblichen Gewichts-und photoelektrischen Kenndaten der photoelektrischen Halbleiter#enerator zu be,inträchtigen, die als Bestandteile der Sonnenbatterien kosmischer Flug apparat en dienen, wodurch die Lebensdauer der kosmischen Flugapparaten einigemal verlängert wird. Es wurde festgestellt, daß der Schutzüberzug 2 mit den Elementen 12, die unter verschiedenen Winkeln zur Arbeitsfläche 3 geneigt sind, bis zu 95,% der Strahlungsenergie durchlassen kann, während die aus Blei gefertigten Zwischenschichten 14 von 0,5 mm Breite den Protonenfluß mit einer Energie von einigen MeV zurückhalten.
  • Somit wird es möglich, kosmische Erdsatelliten von großer Lebensdauer, die in Erdstrahlungsgürteln arbeiten, zu schaffen.
  • Neben der erhöhten Strahlenfestigkeit können die erfindungsgemäß ausgeführten Generatoren einen höheren Wirkungsgrad besitzen, was durch Fokussierung und tibertragung der Strahlung zu den empfindlichsten Teilen des Photowandlers 1, durch volle Ausnutzung der Strahlungsspektralbestandteile, Verminderung der Stromverluste durch die Oberflächen- und Volumenrekombination von Ladungsträgerc, fast 1007-tige Ausnutzung der Arbeitsfläche, einen sehr geringen Serienwiederstand und Vergrößerung der Wärmea'bführungsöberfläche erreicht wird.
  • So ist der erfindungsgemäße Generator in der Lage, mit einem Wirkungsgrad von mehr als 10% bei der Leistung der Strahlung 4 von ueber 100 W/cm2, d.h. bei der Strahlungsleistung, die die Sonnenstrahlungsleistung an der Erdoberfläche um das 1000-fache übersteigt, zu arbeiten. Die Kosten einer elektrischen Leistungseinheit für terrestrische Energieanlagen mit den erfindungsgemäß ausgeführten Siliziumgeneratoren, die zusammen mit Sonnenenergiekonzentratoren mit einem Durchmesser von ca. 1 m betrieben werden, werden ungefähr um das Tausendfache herabgesetzt. Dabei wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in einzelne Bestandteile zerlegt und mittels Lichtleiter über den Sonnenstrahlungsenergiekonzentrator hinaus übertragen.
  • Die Ausnutzung des Feldeffekts gestattet es, die Spektralempfindlichkeit des Generators stufenlos zu regeln. Beim Siliziumphotowandler kann die Kennlinie der Spektralempfindlichkeit, indem man die Ladungsgröße an der elektrisch leitenden Schicht 25 ändert, von einer dünnen Spitze für die wellenlänge von etwa 1@m bis zu einem breiten horizontalen Abschnitt für den Wellenbereich von O>5...1 mkm geändert werden.
  • Der erfindungsgemäße Generator kann zur Orientierung ei-.
  • nes Objektes auf eine Lichtquelle nach zwei Koorinaten, z.B.
  • einer Sonnenbatterie auS die Sonne, und zur Messung der Richtnng eines Laserstrahls verwendet werden. Dabei beträgt die Empfindlichkeit nicht weniger als 0,8 V Je 1 mm Abweichung des @ichtlichtstrahls.

Claims (15)

  1. Photoelektrischer Halbleitergenerator PATENTANSPRUCHE 1. Photoelektrischer Halbleitergenerator der mindestens einen Photowandler mit einer Gleichrichtungsbarriere, die den Basisbereich mit dem einen Leitungstyp, der durch die MaJoritätsträger im Basisbereich gewährleistet ist, vom Inversionsgebiet mit dem entgegengesetzten Leistungstyp, der durch die Minoritätsträger im Basisgebiet gewährleistet trennt, und zuindes zwei Stromabnahmekontakte, von denen der eine an den Basisbereich und der andere an das Inversionsgebiet angeschlossen ist. und einen Schutsübersug aufweist, der die Strahlung empfängt und an mindestens einer Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators angeordnet ist, auf welche die sie durchlaufende Strahlung einfällt, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Schutsüberzug einen Satz von Elementen (12), die aneinander mindestens in der Nähe der unmittelbar die Strahlung aufnehmende Oberfläche (13) des Schutzüberzugs (2) anliegen und zur Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators hin wenigstens einen für den Photowandler (1) photoaktiven Teil des Strahlungsspektrums (4) durchlassen, und von Zwischenschichten (14) aufweist, die die den Photowandler schädigende Strahlung (15) absorbieren und zwischen Jeweils benachbarten Elementen (12) angeordnet sind.
  2. 2. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schutzüberzug als eine Matrix von Elementen in Nikrominiaturbauweise ausgeführt ist, die reihenweise in einer Schicht angeordnet sind, wobei die Dicke H des Schutzüberzugs (2) mit einem Längenmaß des Photowandlers (1) vergleichbar ist, das in der senkrecht zur Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators verlaufenden Richtung bestimmt wird.
  3. 3. .Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c.h n e t , daß die Element<>' (12) des Schutzüberzugs (2) in Gestalt von Parallelepipeden ausgebildet sind, bei denen ein Längenmaß, welches in der parallel zur Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators verlaufenden Richtung bestimmt wird, mit der Diffusionslänge (L) der Minoritätsträger im Basisbereich (6) vergleichbar ist, wobei die das genannte Längenmaß begrenzenden Seitenflächen zur Arbeitsfläche (3) unter einem Winkel von 0<(180° geneigt sind, und daß benachbarte Seitenflächen verbunden und untereinander mittels Zwischenschichten (14) befestigt sind.
  4. 4. Photoelektrischer Halbleitergenerator nachlinspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elemente (12) des SchutzUberzugs (2) in Gestalt von Zylindern ausgebildet, deren Grundfläche einen Durchmesser hat, der mit der Diffusionslänge (L) der Minoritätsträger im Basisbereich vergleichbar ist, und zur Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators unter einem Winkel von 0e f~1800 geneigt, verbunden und untereinander mittels Zwischenschichten (14) befestigt sind.
  5. 5. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach den Ansprüchen t, 2, 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zwischenschichten (*14) aus elektrisch leitendem Material bestehen, mit an der Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators angeordneten Stromabnahmekontakten elektrisch verbunden und an eine gemeinsame Stromabnahmeschiene (24) angeschlossen sind.
  6. 6. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dicke des Basisbereichs (6) geringer als die Diffusionslänge (L) der Minoritätsträger im Basisbereich (6) ist.
  7. 7. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sämtliche Zwischenschichten (14) des Schutzüberzugs (2) mit den Stromabnahmekontakten Uber die gesamte Außenfläche der letzteren in Berührung stehen, die Uber die Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators hinausragt.
  8. 8. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Teil von den Elementen (12) des Schutzüberzugs aus einem Halbleitermaterial besteht, das die Photowandler (1) bildet.
  9. 9. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach den Ansprüchen 2 und 8, enthaltend mindestens zwei in einer Reihe angeordnete Photowandler, deren Längenmaß, welches längs deren Reihe in der an der Arbeitsfläche anliegende Ebene bestimmt wird, mit der Diffusionslänge (L) der Minoritätsträger im Basisbereich vergleichbar ist, wobei jedem Photowandler ein eigener Stromabnahmekontakt zugeordnet ist, der dadurch g e k e n n z e i c h n e t ist, daß die Reihen für die Elemente (12) des Schutzüberzugs (2) senkrecht zur Reihenrichtung der Photowandler (1) verlaufen.
  10. 10. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elemente (12) des Schutzüberzugs (2) in Gestalt von optischen Konzentrationen, die die Strahlungsenergie (4) in einem Brennfleck (17) fokussieren, ausgebildet sind, wobei die Absortionszone (18) der im Brennfleck fokkusierten Strahlung (4) im Basisbereich (6) des Photowandlers angeordnet und von der Gleichrichtungsbarriere in einem Abstand entfernt ist, der geringer als die Diffusionslänge (L) der Minoritätsträger im Basisbereich (6) ist.
  11. 11. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schutzüberzug (2) aus zwei Matrizen (22) und (23) von Elementen (2) gebildet ist, welche eine auf die andere derart aufgelegt sind, daß die Zwischenschichten der oberen Matrix (22) unter einem Winkel zu Zur den Zwischenschichten der unteren Matrix (23) angeordnet sind.
  12. 12. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach den Ansprüchen 1, 3, 4 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die der Arbeitsfläche des photoelektrischen Halbleitergenerators zugewandten Teile der Elemente (12) des Schutzüberzugs (2) fächerförmig auseinandergehend ausgeführt sind, während die aus elektrisch leitendem Material gefertigten Zwischenschichten (14) mit den auf der Arbeitsoberfläche (9) angeordneten Stromabnahmekontakten elektrisch verbunden sind.
  13. 13. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Jedem Element (12) des Schutzüberzugs (2) ein einziger Photowandler (1) zugeordnet ist.
  14. 14. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, der Phe~Lirwandler enthält, deren Basisbereich ein Teil der Arbeitsfläche des Generators ist, der mit einer Dielektritumschicht bedeckt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Zwischenschichten (14) des Schutzüberzugs (2) aus elektrisch leitendem Material bestehen und zu einer gemeinsamen Stromableitungsschiene (24) hinausgeführt sind, die an den einen Pol einer Gleichspannungsquelle (26) angeschlossen ist, deren anderen Pol an einen Stromabnahmekontakt auf der Arbeitsfläche (3) des Photowandlers (1) angeschaltet ist, während zwischen der Dielektrikumschicht und dem Schutzüberzug (2) eine Schicht aus elektrisch leitendem Material vorhanden ist, die mit den Zwischenschichten (14) in elektrischer Verbindung steht.
  15. 15. Photoelektrischer Halbleitergenerator nach Anspruch 8 mit Photowandlern, bei denen der Basisbereich einen Teil der Arbeitsfläche des Generators darstellt, der mit einer Dielektrikumschicht bedeckt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Arbeitsfläche (3) des photoelektrischen Halbleitergenerators zugewandten Oberfläche des Schutzüberzugs auch eine Dielektrikumschicht vorhanden ist, während zwischen den Dielektrikumschichten des Schutz-Uberzugs (2) und des Photowandlers eine Schicht aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, wobei die aus einem Halbleitermaterial ausgeführten Elemente des Schutzüberzugs (2) miteinander verbunden sind und einen Serienstromkreis bilden, dessen eine Abteilung an einen der Stromabnahmekontakte des Photowandlers (1) und dessen andere Abteilung an die Schicht aus elektrisch leitendem Material angeschlossen ist.
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