DE2813671A1 - Photovoltaisches halbleiterelement zur ermittlung elektromagnetischer strahlungen - Google Patents

Photovoltaisches halbleiterelement zur ermittlung elektromagnetischer strahlungen

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Description

Patentanwälte O O 1 OC71
Dipl.-Ing. W.Beyer '
Dipl.-Wirtsch.-Ing.B.Jochem
S tauf ens tr. 36 /■ 6000 Frankfurt/Main 1
Anm. :
Ford-Werke Aktiengesellschaft
Ottoplatz 2
5000 Köln 21
Photovoltaisches Halbleiterelement zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen.
Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterelement zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen mit einer Lichtquantenergie größer oder gleich dem Bandabstand des die Strahlung absorlierenden und mit einem Oberflächenbereich der Strahlung ausgesetzten Halbleitermaterials.
Photovoltaische Halbleiterelemente dieser Art werden vorzugsweise in Gestalt von Halbleiterloden in Abbildungssystemen und Wärmesuchgeräten verwendet. Darüber hinaus sind auch andere Anwendungsgebiete bekannt.
Ein solches photovoltaisches Halbleiterelement enthält einen PN-Übergang und eine ObÄläche, die der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Wenn die auftreffende Strahlungjeine Lichtquantenergie größer als der Bandabstand des Halbleitermaterials hat, wird ein Lochpaar im Valenzband erzeugt. Der photoerzeugte Minoritätsträger im Halbleitermaterial wird am PN-Übergang abgetastet, und dies führt zu einem feststellbaren Ansprechen.
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Ein herkömmlicher solcher Halbleiterdetektor zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen besteht aus einer Kristallmasse mit einem PN-Übergang darin. Der PN-Übergang kann durch entsprechendes Dotieren oder Anbringung eines Schottky-Sperrmetalls auf der Oberfläche der Kristallmasse· zur Ausbildung eines PN-Übergangs innerhalb des Halbleitermaterials in bekannter Weise erhalten werden. Auch ist es bekannt, photovoltaische Halbleiterdetektoren zur Erfaasung elektromagnetischer Strahlungen mit Hilfe einer lichtdurchlässigen Bariumfluorid-Unterlage zu bilden, auf welcher ein dünner Film von Halbleitermaterial aus den Gruppen IV-VI des periodischen Systems der Elemente epitaxial aufgewachsen wird. Ein Schottky-Sperrmetall wird dann auf dem epitaxialen dünnen Film niedergeschlagen, um eine Schottky-Sperriode zu schaffen.
In der Vergangenheit ist die Anwendung photovoltaischer Detektoren für Kleinsignal-Anwendungsfälle durch das Verhältnis zwischen auswertbarem Signal und Störsignal (S/N) begrenzt gewesen. Für eine lineare Ansprechcharakteristik kann das Betriebsverhalten der verschiedenen Detektoren miteinander anhand ihrer Signal/Störungs-Verhältnisse, bezogen auf die Einheitsauftreffsleistung und die Einheitsströrungsbandbreite verglichen werden.
Bei einer großen Anzahl von Detektoren ist dieses norma-
—1/2 lisierte Verhältnis S/N proportional zu A ' , wobei A die Detektorfläche ist. Dies führt zur Definition eines Gütefaktors, des sogenannten Ansprechvermögens D* für photovoltaische Detektoren nach der Formel :
D*
worin S und N auf die Einheitsauftreffleistung bzw. die Einheitsbandbreite normiert sind. Dies schafft ein Maß
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für die Güte, das unabhängig von der Elementenoberfläche ist. Für den besonderen Anwendungsfall wird das größte S/N-Verhältnis durch Verwendung des kleinsten Detektors erhalten, der mit den Grenzen des die einfallende elektromagnetische Strahlung zuführenden optischen Systems noch vereinbar ist.
Bei einem herkömmlichen photovoltaischen Detektor, der im Kurzschluß betrieben wird, ist das Stromsignal S für die einfallende Einheitsenergie bei der jeweiligen Lichtquantenergie E :
worin η die Quantenausbeute ist. In Abwesenheit eines großen Lichtquantenstroms aus dem Hintergrund ist die Stromstörung- die John son-S to rung des Diodenwiderstandes R
N = (4kT/R)
in der EinheitsbandBreite. Demzufolge ist
* _ ng /RA χ1/2 D ~ J \
E V 4k1V
Für eine ideale Diode ist das Produkt RA unabhängig von A, und D ist ein flächen unabhängiger Gütefaktor. Dieselbe Beziehung wird erhalten, wenn der photovoltaische Detektor im Offenkreisbetrieb betrachtet wird.
Wenn das Johnson-störbegrenzte Ansprechvermögen D* des photovoltaischen' Detektors vergrößert wird, wird die Störung beherrscht von Abweichungen im Lichtquantenstrom aus dem Hintergrund. Dies tritt typisch bei 300° K mit etwas Blickfeld auf, das von der Optik des Systems bestimmt
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ist, in welchem der photovoltaische Detektor eingesetzt ist. Jenseits dieses Punktes bleibt das Ansprechvermögen D* konstant bei einem vom Rauschen begrenzten Wert. Viele photovoltaische Detektoren müssen jedoch gekühlt werden, um einen genügend großen Wert des Produktes RA zur Sicherstellung eines rauschbegrenzten Betriebsverhaltens zu erzielen. Folglich ist es erwünscht, das Johnson-störbegrenzte Ansprechvermögen D zu vergrößern und dadurch die Betriebstemperatur zu erhöhen, bei welcher ein rauschbegrenzter Betrieb erhalten wird.
Die Kapazität photovoltaischer Detektoren für elektromagnetische Strahlung kann qualitativ so betrachtet werden, als ob sie von den P-N-Zonen innerhalb des Halbleitermaterials herrührt, die als parallele Platten wirken, welche von einem Dielektrikum getrennt sind, das aus der Erschölfungszone der Diode besteht. Die Kapazität setzt das Nutzsignal / Störungs-verhältnis bei hohen Frequenzen herab, weil es mit Vorverstärkern zusammenwirkt. Der Vorverstärker bürdet dem photovoltaischen Detektorsystem eine Frequenzbegrenzung auf; es existiert eine kritische Frequenz , oberhalb welcher das erreichbare Nutzsignal/ Störungs-Verhältnis steil abfällt. Dieses Abfallen im Verhältnis S/N beruht größtenteils auf dem Mitwirken der PN-Übergangskapazität des photovoltaischen Detektors. Eine Verminderung dieser Kapazität ist deshalb äußerst erwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein photovoltaisches Halbleiterelement zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen zu schaffen, das ein Johnson-störbegrenztes Ansprechvermögen D größer als bei den bekannten Elementen besitzt, so daß
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die Betriebstemperatur im Vergleich zu den bekannten Elementen höher liegt, bei welcher ein rauschbegrenzter Betrieb erzielt wird. Dabei soll die Kapazität des im Halbleiterelement gebildeten PN-Übergangs vermindert werden, und es soll ein solches photovoltaisches Halbleiterelement geschaffen werden, in welchem der PN-Ubergangsbereich beträchtlich kleiner ist als der Bereich, über welchem die zu erfassende einfallende Strahlung absorbiert wird, um dadurch einen Überschuß an Minoritätsträgern zu erzeugen und die Bewegung der Minoritätsträger auf eine Zone innerhalb des Halbleitermaterials durch Aufbringung einer Sperre in einem Abstand vom PN-Ubergangsbereich von weniger als 50 um und vorzugsweise weniger als eine Diffusionslänge der vorhandenen Minoritätsträger im Halbleitermaterial zu begrenzen.
Ausgehend von einem photovoltaischen Halbleiterelement der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleitermaterial im Inneren einen im wesentlichen parallel zu diesem Oberflächenbereich verlaufenden PN-Ubergangsbereich als Netzwerk entweder in Gestalt von Streifen aus miteinander verbundenen PN-Übergängen oder in Gestalt einer Vielzahl elektrisch zueinander prallel geschalteter einzelner PN-übergänge aufweist, wobei eine gedachte kürzeste, in sich geschlossene Grenzlinie, die auf der Halbleiteroberfläche zum Umschließung des gesamten PN-Übergangsbereichs gezogen werden kann, einen Gesamtbereich des Halbleiterelements umschließt, der doppelt so groß wie der zur Halbleiteroberfläche im wesentlichen parallele PN-Übergangsbereich ist, wobei ferner eine gedachte Linie lotrecht zur Halbleiteroberfläche und innerhalb der in
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sich geschlossenen Grenzlinie weniger als 100 um von wenigstens einer auf dem PN-Übergangsbereich lotrecht stehenden gedachte Linie entfernt ist und wobei das Element einer Sperre zur Beschränkung photoerzeugter Minoritätsträger auf eine Zone auf der dem PN-übergangsbereich näheren Seite dieser Sperre innerhalb des Halbleitermaterials aufweist, welche weniger als 50 um von der PN-Ubergangszone, lotrecht zu dieser gemessen, angeordnet ist.
Die Sperre kann dadurch gebildet werden, daß innerhalb des Halbleitermaterials eine erste und eine zweite Zone gleicher Leitfähigkeit, jedoch mit voneinander abweichenden Majoritätsträgerkonzentrationen vorgesehen werden, oder dadurch, daß zwei HalbleiterfflätäriAllen verwendet werden, von denen der eine ^31 PN-Übergangsbereich und der andere einen größeren Bandabstand aufweist als das ersterwähnte Halbleitermaterial, wodurch ein ungleichartiger Übergang zwischen den Materialien geschaffen wird. Auch kann die Sperre durch Verwendung einer isolierenden
auf
Unterlage (Substrat) geschaffen werden, der das Halbleitermaterial durch epitaxiales Aufwachsen angebracht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterelement als Schottky-Sperrdiode unter Verwendung von Blei oder Indium als Sperrmaterial ausgebildet, das auf einer epitaxialen Schicht eines Halbleitermaterials aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems der Elemente niedergeschlagen ist, die auf einer Unterlage (Substrat) aus entweder aus Bariumfluorid (BaF2) oder Strontiumfluorid (SrF2) epitaxial aufgewachsen ist.
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Die Erfindung wird nachstehend zum besseren Verständnis anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :
Fig. la einen photovoltaischen Detektor in Mesa-Struktur · mit N-leitenden Streifen aus Halbleitermaterial und dem Rest P-leitendem Material,
Fig. Ib einen ähnlichen Detektor, jedoch von ebener Konstruktion, wobei das N-leitende Material in einer Ebene mit der Oberfläche des P-leitenden Materials liegt,
Fig. Ic einen photovoltaischen Schottky-Sperrschichtdetektor von ähnlicher Ausbildung wie in den Fig. la und Ib,
Fig. 2a einen Detektor in Mesa-Struktur mit sich lotrecht kreuzenden Streifen aus N-leitendem Material in einem Halbleiter, dessen Rest aus P-leitendem Material besteht,
Fig. 2b eine ähnliche Ausbildung wie in Fig. 2a, jedoch in ebener Anordnung,
Fig. 2c eine Schottky-Sperrdiode mit ähnlichem Aufbau wie nach Fig. 2a und 2b,
Fig. 3a eine Mesa-Strukturanordnung mit voneinander getrennten kreisförmigen Bereichen aus N-leitendem Material in im wesentlichen hexagonaler Anordnung auf der Oberfläche eines Halbleitermaterials, dessen Rest P-leitend ist,
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Fig. 3b eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 3a, jedoch mit ebener Ausbildung,
Fig. 3c eine Schottky-Sperrdiode in ähnlicher Ausbildung wie nach Fig. 3a und 3b,
Fig. 4a, 4b und 4c Schnittdarstellungen der eben ausgebildeten Strukturen nach den Fig. Ib bzw. 2b bzw. 2cT wobei diese Schnittdarstellungen die verschiedenen Möglichkeiten veranschaulichen, durch welche eine Sperre zur Begrenzung der überschüssigen Minoritätsträger auf eine Zone auf der dem PN-Ubergangsbereich näheren Seite der Sperre erzielt werden kann,
Fig. 5a ein Bänderschema in Gestalt eines Diagramms, in welchem das Energieniveau über dem Abstand von der Elementenoberfläche aufgetragen und eine von Zonen unterschiedlicher Majoritätsträgerkonzentrationen im Halbleitermaterial gebildete Potentialsperre veranschaulicht ist,
Fig. 5b ein ähnliches Diagramm, jedoch zur Veranschaulichung einer durch Verwendung zweier Halbleitermaterialien innerhalb des Elements gemäß der Schnittdarstellung in Fig.4b gebildeten Potentialsperre, wobei die Halbleitermaterialien zwei verschiedene Energiebandbreiten aufweisen und dadurch einen ungleichförmigen übergang erzeugen,
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Fig. 6a eine Draufsicht auf ein System mehrerer photovoltaischer Detektoren in der grundsätzlichen geometrischen Anordnung nach den Fig. la, Ib und Ic,
Fig. 6b eine Draufsicht auf ein System photovoltaischer Detektoren in der grundsätzlichen geometrischen Anordnung nach den Fig. 2a, 2c und 2c,
Fig. 6c eine Draufsicht auf ein System photovoltaischer Detektoren in der grundsätzlich geometrischen Anordnung nach den Fig. 3a, 3b und 3c.
Grundsätzlich benötigen thermische Abbildungssysteme, welche photovoltaische Detektoren zur Erfassung von Infrarotstrahlungen verwenden, rauschbegrenzte solche Detektoren. Dies verlangt eine Herabsetzung der Grenze für das Johnson-störbegrenzte Ansprechvermögen des Detektors. Dies wiederum setzt eine obere Grenze für die Betriebstemperatur der Detektoren, weil der Detektorwiderstand exponential vom Kehrwert der Temperatur dergestalt abhängt, daß eine Zunahme der Temperatur zu einem Absinken des Widerstands und demzufolge einem Absinken des Ansprechvermögens D** führt. Die bekannten Detektoren äußern sich Versuche zur Verbesserung des Betriebsverhaltens in einer Annäherung an Grenzwerte; beispielsweise liegen typische obere Temperaturgrenzen für einen rauschbegrenzten Betrieb bei Bleitellurid-Detektoren bei 100-150°K.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke besteht in einer
Vergrößerung des Detektorwiderstandes durch Ersatz der herkömmlichen PN-Ubergangs durch einen PN-Ubergansbereich,
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der einem Netzwerk oder Gitter mit größtenteils einem Übergangsfreien Bereich innerhalb seiner Grenzen oder einem Netzwerk oder Muster von einzelnen PN-übergarajsbereichen gleicht, die elektrisch (ohmisch) miteinander zur Bildung eines zusammenhängenden PN-Ubergangsbereichs verbunden sind. Mit einer solchen Struktur kann die PN-Ubergangskapazität sehr klein gehalten und der Detektorwiderstand sehr hoch gehalten werden, während die Bereichskomponente A in der oben angegebenen Gleichung für das Anspruchsvermögen dem Gesamtbereich des Netzwerks oder Gitters einschließlich der Übergangs freien Bereiche und in den meisten Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Elements auch den PN-Ubergangsbereich entspricht, der der zu erfassenden auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Jedoch beinhaltet ein weiteres Merkmal der Erfindung die Verwendung einer Sperre zur Begrenzung vorherrschender photoerzeugter Minoritätsträger auf eine Zone innerhalb des Halbleiters auf der im PN-Übergangsbereich näheren Seite der Sperre, um dadurch die Fähigkeit des PN-Ubergangsbereichs aufrechtzuerhalten, . photoerzeugte Minoritätsträger zu sammeln.
In den Zeichnungen sind nun verschiedene Ausbildungen von photovoltaischen Halbleiterelementen zum Erfassen elektromagnetischer Strahlungen mit einer Lichtquandenergie größer oder gleich dem Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials dargestellt. Alle dargestellten Elemente bestehen aus einem Halbleitermaterial, dessen Hauptmasse P-leitend ist und von kleineren N-leitenden Mengen gebildete PN-Ubergänge aufweist.
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Die vorherrschenden Minoritätsträger in diesen Elementen sind Minoritätselektronen. Natürlich haben die N-leitenden Zonen Löcher vom Typ der Minoritätsträger. Es versteht sich, daß die erfindungsgemäßen Elemente aus Halbleitermaterial hergestellt werden können, dessen Hauptmasse N-leitend ist und in dem die PN-Ubergangszonen von kleineren Mengen P-leitendem Material gebildet sind. In diesem Fall würden die vorherrschenden Minoritätsträger Löcher an Stelle von Elektronen sein.
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen geschnittene bildliche Darstellungen von erfindungsgemäßen Halbleiterelementen. In Fig. la besteht das Element aus einem Halbleitermaterial 10 mit P-Leitfähigkeit mit Ausnahme N-leitender Streifen 12 und 14. Die Streifen 12, 14 aus N-leitendem Material können in der für dieses Element gezeigten Mesa-Struktur durch Anwendung einer gleichförmigen Beimischung, einer Eindiffusion, einer Ionenimplantation oder einem Aufwachsen einer Epitaxyschicht über der Oberfläche des P-leitenden Materials hergestellt werden, um eine Oberflächenschicht aus N-leitendem Material zu erzeugen. Dem folgt ein Ätzen der Halbleiteroberfläche zur Erzeugung der Streifen 12 und aus N-leitendem Material. Dadurch werden PN-Übergänge gemäß den gestrichelten Flächen 16 und 18 unterhalb der Streifen 12 und 14 an einer Grenze geschaffen, die zwischen diesem und dem P-leitendem Material gebildet ist. Diese PN-Ubergänge verlaufen im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Elements, auf welcher die zu erfassende elektromagnetische Strahlung auftrifft. Diese Auftreffflache für die Strahlung kann die Oberseite gemäß der Darstellung in Fig. la oder die Unterseite des Elements sein, wenn die Dicke
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des Halbleltermaterials 10, d.h. die senkrechte Erstreckung des Elements nach der Darstellung in Fig. la kleiner ist als eine Diffusionslänge L der vorherrschenden Minoritätsträgerelektronen innerhalb des Elements. Dies gilt auch für die anderen Elemente in der Zeichnung.
Die Streifen aus N-leitendem Halbleitermaterials 12 und sind elektrisch durch geeignete Verbindungsmittel 2o miteinander verbunden. Im Ergebnis wird dadurch ein einziger PN-übergangsbereich gleich der kombinierten Fläche der PN-übergänge 16 und 18 gebildet. Gemäß der Erfindung umschließt eine gedachte kürzeste in sich geschlossene Grenzlinie, die auf der der zu erfassenden einfallenden elektrischen Strahlung ausgesetzten Oberfläche des Halbleitermaterials 10, gleichgültig ob auf der Oberseite oder der Unterseite, gezogen werden kann, um die PN-Übergangsbereiche 16 und 18 zu umschließen, auch im Gesamtbereich der der einfallenden Strahlung auszusetzenden Oberfläche, der größer ist als die doppelte Fläche der umschlossenen PN-übergangsbereiche parallel zu einer solchen Oberfläche. Auch innerhalb einer solchen kürzesten in sich geschlossenen Grenzlinie zur Umschließ-ung des PN-Übergangs be reich? ist eine gedachte, lotrecht zu der der Strahlung auszusetzenden Oberfläche des Halbleiterelements gerichtete Linie weniger als 100 um von zumindest einer gedachten Linie lotrecht zu dem PN-Übergangsbereich entfernt. In Fig. la und ebenso den anderen Figuren veranschaulicht "x" den größten Abstand innerhalb der oben angegebenen kürzesten in sich geschlossenen Grenze von einem Übergangs freien Bereich zum .nächsten Punkt in einem Übergangsbereich. Dieses Maß muß weniger als 100 Mikrometer betragen. Das Maß χ für das Element nach Fig. und auch alle übrigen in der Zeichnung dargestellten
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Elementstrukturen sollte weniger als die zweifache Diffusionslänge L der vorherrschenden photoerzeugtem Minoritätsträger in dem Halbleitermaterial sein, aus dem das Element besteht.. Eine der nachstehend beschriebenen Elemente, besteht aus zwei Halbleitermaterialien, von denen das eine eine in seinem Inneren gebildeten PN-Ubergangsbereich aufweist. In diesem Fall ist es die Diffusionslänge der vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger in dem den PN-Ubergangsbereich enthaltenden Halbleitermaterial, die von Bedeutung ist. Vorzugsweise ist das Maß χ etwa gleich der Diffusionslänge L der vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger.
In jedem der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Elemente ist eine Sperrebene 22 parallel zu dem PN-Ubergangsbereich vorhanden, der seinerseits parallel zur Oberfläche des Halbleiterelements verläuft, das der zu erfassenden einfallenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Die Sperrebene 22 wirkt als Begrenzung für die vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger auf die Zone innerhalb des Elements auf der Seite der Sperre, die dem PN-Ubergangsbereich näher liegt. In der Zeichnung ist diese Sperre in einem Abstand "y" von der Oberfläche des Halbleiterelements angeordnet. Die Sperrebene muß in einer Entfernung, lotrecht zu dem parallel zu der der Strahlung ausgesetzten Oberfläche verlaufenden PN-Ubergangsbereich gemessen, von weniger als 50 Mikrometer von einem solchen PN-Ubergangsbereich angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Sperrebene in einem Abstand von weniger als einer Diffusionslange L der vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger von einem solchen PN-Ubergangsbereich, lotrecht dazu gemessen, angeordnet. Noch genauer ist es erwünscht, daß die Sperre angenähert ein Zehntel der
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Diffusionslänge von einem solchen PN-Ubergangsbereich entfernt ist.
Die Minoritätsträger-Diffusionslänge L für Halbleitermateriai lien ist gegeben durch die Gleichung
worin, wenn die Minoritätsträger Elektronen sind, k die Boltzmannsche Konstante, q die Ladung eines Elektrons, T die absolute Temperatur des Halbleiters, μ die Elektronenbeweglichkeit und t die Lebensdauer des Elektrons sind. Die Elektronenbeweglichkeit ju für Halbleitermaterialien ist verhältnismäßig einfach zu bestimmen, jedoch ist die Lebensdauer des Elektrons für viele Halbleitermaterialien nicht genau bekannt, und es ist oft sehr schwierig, sie experimentell zu bestimmen«. Aus diesem Grund ist das Maß χ für die hierin beschriebenen Elemente mit weniger als 100 Mikrometer und die Anordnung der Sperrebene 22 von der Oberfläche des Elements weniger als 50 Mikrometer angegeben. Für den weitaus größten Teil der Halbleitermaterialien sind Diffusionslängen L von weniger als 50 Mikrometer bekannt. In den Fällen, in denen die Diffusionslänge L für ein bestimmtes Halbleitermaterial hinreichend bekannt ist, kann das Maß χ so gewählt werden, daß es gleich einer Diffusionslänge ist, und der lotrechte Abstand vom PN-Ubergangsbereich zur Sperrebene 22 kann dann wesentlich kleiner (in der Größenordnung von einem Zehntel dieser Diffusionslänge) gewählt werden.
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In Fig. Ib ist ein Element ähnlich dem in Fig. 1 dargestellt mit der Ausnahme, daß es an Stelle der in Fig. la gezeigten Mesa-Struktur eben ausgebildet ist. Die ebene Struktur enthält voneinander getrennte Abschnitte 24 und 26 aus N-leitendem Material innerhalb eines Halbleitermaterials, das im übrigen P-leitend ist. Das N-leitende Material 24 und 26 hat die Form von Streifen, die elektrisch miteinander durch eine Verbindungsleitung 28 verbunden sind. Die ebene Oberseite des Elements nach Fig Ib kann durch Anordnung eines Maskenmaterials auf der flachen Oberfläche eines P-leitenden Halbleitermaterials mit offenen Bereichen entsprechend den Abmessungen der Streifen 24 und anschließendes Zusetzen, Diffundieren, lonen-Einpflanzen oder epitaxiales Formen von N-leitendem Material in dem im übrigen P-leitendem Halbleiter hergestellt werden. Als Ergebnis dieser Planartechnik entsteht innerhalb des P-leitenden Materials ein Streifen aus N-leitendem Material, der eine Breite w, wie in Fig.Ib gezeigt, aufweist. Ein PN-Übergang wird an der Grenze des P-leitenden Materials und der Streifen aus N-leitendem Material gebildet. Dieser PN-Übergang wird eine Ausdehnung im wesentlichen parallel zur Streifenseite des Halbleitermaterials und vielleicht auch zu dessen Unterseite aufweisen. Obwohl jede der beiden Seiten der zu erfassenden einfallenden Strahlung ausgesetzt werden kann, sofern die Dicke des Elements auf weniger als eine Diffusionslänge gemäß obiger Beschreibung beschränkt ist, sei angenommen, daß das Element nach Fig Ib der einfallenden Strahlung mit seiner Oberseite ausgesetzt ist. In diesem Fall ist die Flächenausdehnung des PN-Übergangs, der im wesentlichen parallel zu der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Oberfläche verläuft, gleicht der Breite w eines jeden der Streifen 24 und 26, multipliziert mit deren Längen, und diese Produkte
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aus der Breite mal der Länge der Streifen addieren infolge der elektrischen Parallelschaltung der Streifen einander zu dem gesamten PN-Übergangsbereich. Wiederum umschließt die kürzeste in sich geschlossene Grenzlinie, die auf der der Strahlung ausgesetzten Oberfläche zur Umfassung des gesamten PN-Übergangsbereichs gezogen werden kann, eine Gesamtfläche auf dem Element, die größer als das zweifache des gesamten PN-Übergangsbereiches ist.
In Fig. Ic ist ein Schottky-Sperrschichthalbleiter in Übereinstimmung mit der Erfindung gezeigt. Er weist Streifen 3o und 32 aus geeignetem Sperrmetall in Berührung mit der Oberfläche des Halbleitermaterials 34 auf. Die Streifen 32 sind durch einen Leiter 36 elektrisch miteinander verbunden. Die Anordnung der Sperrmetallstreifen 3o und 32 auf dem Halbleiter bildet unterhalb eines jeden solchen Streifens eine Zone 38, in welcher eine Trägerumkehrung auftritt, sowie eine Bodenerschöpfungszone 4o. In dem Element nach Fig. Ic ist das Halbleitermaterial P-leitend, und die Trägerumkehrung erzeugt N-leitendes Material in der Zone 38. Auf diese Weise werden in dem HaLbleitermaterial 34 PN-Übergangsbereiche geschaffen. Wenn die zu erfassende einfallende Strahlung auf das Element von der Oberseite in Fig. Ic auftritt, hat der geschaffene PN-Übergang, der an der Grenze zwischen der Trägerumkehrzone 38 und der Diodenerschöpfungszone 4o gebildet ist, die Breite w mit einer Erstreckung im wesentlichen parallel zu der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Oberfläche sowie ferner natürlich eine Flächenausdehnung gleich der Breite w, multipliziert mit der Länge des Sperrmetallstreifens. Da die Verbindungsleitung 36 die PN-Übergangsbereiche parallel schaltet, ist der gesamte, zu der der einfallenden
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aa.
ausgesetzten Oberfläche im wesentlichen parallele PN-Ubergangsbereich gleich der Summe der durch die Multiplikation der Breite eines jeden Streifens 3o, 32 mit seiner Länge erhaltenden Produkte.
In Fig. 2a ist ein Halbleiterelement in Mesastruktur und insoweit ähnlich demElement nach Fig. la gezeigt, wobei jedoch die Streifen aus N-leitendem Material einander unter Bildung eines in sich verbundenen Netzwerkes oder Gitters aus N-leitendem Material innerhalb eines im übrigen aus P-leitendem Material gebildeten Elemente kreuzen.
Unterhalb des N-leitendem Materials befindet sich ein Netzer
werk oder Gitt aus einem PN-übergansbereich entsprechend der Form des N-leitendem Materials. Obgleich dieser PN-Ubergangsbereich einen großen Übergangs losen Bereich enthält, besteht nichtsdesdoweniger ein einziger PN-Ubergangsbereich, der sich in dem Sinne fortsetzt, daß die das Gitter des PN-Ubergangsbereiches bildenden Einzelstreifen in Verbindung miteinander stehen. Bei dem Elementenaufbau nach den Fig. la, b und c waren Verbindungsleiter 2o, 28, 36 erforderlich, um die einzelnen Streifen aus N-leitendem Marerial parallel zueinander zu schalten. In den Elementen der Figuren 2a, 2b und 2c sind solche Verbindungsmittel nicht erforderlich, weil das Netzwerk oder Gitter aus sich kreuzenden und dadurch miteinander verbundenen Streifen aus N-leitendem Material besteht.
Das Element nach Fig. 2b ist ähnlich dem nach Fig. 2a mit der Ausnahme, daß es einen ebenen Aufbau besitzt.
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Fig. 3 zeigt ein Halbleiterelement mit einem Sperrmetall 4 2 in Netzwerk- oder GitteranOrdnung auf der Oberfläche des Halbleitermaterials 44. Zonen mit Trägerartumkehrung und Diodenerschöpfung unterhalb der Sperrmetall-Gitterstruktur bilden einen PN-Ubergangsbereich im wesentlichen parallel zur Oberseite des Halbleiterelements.
In Fig. 3a ist ein Halbleiterelement mit Mesastruktur gezeigt, bei welchem die einzelnen Mesas voneinander getrennte Kreise aus N-leitendem Material auf einem Halbleitermaterial sind, dessen Hauptmasse P-leitend ist. PN-Ubergange sind an der Grenze zwischen den N-leitenden Mesas und dem darunter befindlichen P-leitendem Material gebildet. Diese PN-Ubergänge haben die Form einzelner Kreisflächen mit Abstand voneinander. Die Bereiche aus N-leitendem Material können als dooaxhin Fig. 3a nicht gezeigte Mittel ohmisch miteinander verbunden angesehen werden, wodurch die PN-Ubergänge im Element zueinander parallelgeschaltet sind und in ihrer Gesamtheit einen einzigen PN-Ubergangsbereich bilden, der im wesentlichen parallel zur Oberfläche des der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Elements verläuft. Die N-leitenden kreisförmigen Mesas in Fig. 3a sind in hexagonalem Muster angeordnet. Die kürzeste in sich geschlossene Grenzlinie, die ringsum den gesamten PN-Übergangsbereich (die Summe der einzelnen PN-Übergangsbereiche, die von den voneinander getrennten kreisförmigen Flächen aus N-leitendem Material gebildet sind) umschließt einen Gesamtbereich auf der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Fläche, der größer ist als das Zweifache des gesamten PN-Übergangsbereichs. Innerhalb dieser von der
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.21,.
kürzesten Grenzlinien umschlossenen Fläche ist das Maß χ zwischen einer beliebigen gedachten Linie lotrecht zu einer solchen Fläche und mindestens einer gedachten Linie lotrecht zu den PN-Übergangsbereich parallel zu einer solchen Fläche weniger als 100 Mikrometer und beläuft sich vorzugsweise in der Größenordnung der Diffusionslänge L der vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger.
In Fig. 3b ist eine ebene Struktur gezeigt, die im übrigen Ähnlich derjenigen in Fig. 3a ist.
Fig. 3c zeigt ein Schottky-Sperrschicht-Halbleiterelement, bei welchem voneinander getrennte kreisförmige Bereiche 46 aus einem Sperrmetall, die durch (nicht gezeigte) Leitungsx mittel verbunden sind, auf einem Halbleitermaterial 48 angeordnet sind. Innerhalb des Halbleitermaterials sind induzierte PN-Ubergänge unterhalb der Sperrmetallkreise 46 gebildet, die derart parallel geschaltet sind, daß sie einen einzigen PN-Obergangsbereich bilden, der im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Elements angeordnet ist^ das der einfallenden Strahlung aussetzbar ist.
Bei allen vorgeschriebenen Halbleiterelementen führt die elektromagnetische Strahlung, die auf das Element von seiner Oberseite oder, falls die Dicke des Halbleitermaterials geringer als eine Diffusionslänge ist, von der Unterseite auftrifft,sofern sie eine Lichtquandenergie größer als die Bandbreite des Materials besitzt, aus dem das Element gebildet ist, zur Photoerzeugung von Minoritätsträgern- im Halbleitermaterial. Diese Minoritätsträger können sowohl im N-leitenden
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Material als auch im P-leitenden Material erzeugt werden, und die Minoritätsträgererzeugung ist nicht auf das unmittelbar oberhalb bzw. unterhalb des PN-Übergangsbereichs angeordnete Material beschränkt. Vielmehr können die Minoritätsträger auch in dem Halbleitermaterial zwischen den. Streifen, dem Gitter oder den kreisförmigen Flächen des N-leitenden Marerials erzeugt werden. Mit anderen Worten, der in der Photoerzeugung von Minoritätsträgern aktive Oberflächenbereich des HaLbleiterelements ist nicht auf die unmittelbar oberhalb oder unterhalb eines PN-übergangsbereichs gelegene Bereiche beschränkt. Minoritätsträger können stattdessen von PN-Übergängen gesammelt werden, auch wenn sie dem PN-übergangsbereichs benachbarten Zone des Halbleitermaterials erzeugt sind. Um jedoch die photoerzeugten Minoritätsträger in den den PN-Übergangsbereichen benachbarten Zonen des Elements wirksam zu sammeln, ist die Begrenzung des Maßes auf weniger als 100 Mikrometer und vorzugsweise auf eine Diffusionslänge von wesentlicher Bedeutung. Auch die Sperre 22, welche die photoerzeugten Minoritätsträger auf die dem PN-übergangsbereichs näherliegende Zone des Halbleiterelements beschränkt, ist von großer Bedeutung für ein wirksames Sammeln der photoerzeugten Minoritatsträger.
Es gibt verschiedene Wege zur Bildung der Sperre 22 zum Eingrenzen der Minoritätsträger auf die den PN-Übergangsbereich nähere Seite der Sperre.
Fig.4a veranschaulicht die Bildung einer Sperre 22 als Grenze zwischen einer ersten Zone 5o und einer zweiten Zone 52 innerhalb desselben Halbleitermaterials. Die erste Zone
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SG.
ist P-leitend und die zweite Zone 52 ist P -leitend, besteht jedoch aus demselben Halbleitermaterial, wie es in der Zone 5o verwendet ist. Die zwischen der P-leitenden und der P leitenden Zone des Materials gebildete Grenze schafft eine Potentialsperre 22 für diejenigen Minoritätsträger, die den PN-Übergangsbereichen näher sind, welche an der Grenze zwischen den Zonen 54 und 56 aus N-leitendem Material und der ersten Zone 5o aus P-leitendem Material gebildet sind. In Fig.5a ist in einem Diagramm die Energie über dem Abstand von der Oberfläche für ein Element mit einer in Fig. 4a gezeigten Struktur aufgetragen. Das Maß y veranschaulicht den Abstand von der Oberfläche des Elements zur Sperre 22. Es läßt sich ersehen, daß im Abstand y von der Oberfläche ein Anwachsen im Energieniveau am oberen Rand des Valenzbandes ebenso wie eine Aufwärtsverschiebung des Energieniveaus am unteren Rand des Leitungsbandes vorhanden sind. Obwohl der Bandabstand im wesentlichen konstant bleibt, ist eine Energiezunähme an der Grenze vorhanden, an welcher die Majoritätsträgerkonzentration zunimmt. Zur Begrenzung der vorherrschender! photoerzeugten Minoritätsträger auf die P-leitende Zone sollte der Versatz in dem Rand des Leitungsbandes größer als oder gleich kT, und zwar vorzugsweise größer als oder gleich 3kT sein, worin k die Boltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur sind.
In Fig. 4b ist eine als Grenze zwischen einem ersten Halbleitermaterial 58 und einem zweiten Halbleitermaterial 6o gebildete Sperre 22 dargestellt, das einen größeren Bandabstandswert als das erste Halbleitermaterial besitzt.
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Das erste Halbleitermaterial 5 8 enthält PN-Übergangsbereiche, die an der Grenze zwischen ihm und Zonen 6 2 und 64 des N-leitenden Materials gebildet sind. Fig. 5b ist hierzu ein Diagramm, in welchem die Energie über dem Abstand von ^1 der Oberfläche des Elements für ein Element mit der Struktur nach 4b aufgetragen ist. Aus diesem Diagramm läßt sich ersehen, daß das P-leitende Material eine Bandbreite E (1) aufweist. Dieser Zuwachs sollte größer als kT und vorzugsweise größer als oder gleich 3kT sein. Das Energieniveau der Oberkante des Valencbandes ist in Fig. 5b als gerade Linie gezeigt, was jedoch nicht der Fall zu sein braucht. Jedoch ist das Ansteigen des Energieniveaus des Leitungsbandes an der Sperre 22 wichtig, weil es zu einer Eingrenzung der vorherrschenden photoerzeugten Minoritätsträger auf das erste Halbleitermaterial mit dem Bandabstandswert E (1) führt, d.h. der Zone des Elements links von der Sperre 22 gemäß der Darstellung in Fig. 5b.
In Fig. 4c ist die Sperre 22 durch das Ende des Halbmaterials in einem Abstand y von der Oberseite des Elements gebildet. Zur Bildung der Sperre 22 ist unterhalb des Halbleitermaterials ein Isolator angeordnet. Das P-leitende Halbleitermaterial 66 ist bei dieser Struktur vorzugsweise epitaxial auf dem Isoliermaterial 68 aufgewachsen. Wenn das Isoliermaterial 68 lichtdurchlässig ist, wie dies bei Bariumfluorid (BaF_) und Strontiumfluorid(SrF-) der Fall ist, d.h. bei Materialien, die als besonders befriedigend für das epitaxiale Aufwachsen von bestimmten Halbleitermaterialien aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems der Elemente festgestellt wurden, dann kann die zu erfassende
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einfallende Strahlung auch nutzbringend von der Unterseite des Elements auf das Halbleitermaterial 66 auftreffen.
In Fig. 6a ist eine Draufsicht auf eine Anordnung von fünf photovoltaischen Detektoren mit einem grundsätzlichen Aufbau nach den Fig. la, Ib und Ic gezeigt. Die fünf Detektoren 7o, 72, 74, 76 und 78 bestehen aus Streifen N-leitenden Materials oder Schottky-Sperrmetall 8o auf oder in einer P-leitenden Unterlage 82. Die Detektoren 7o, 72, 74 und sind identisch ausgebildet und bestehen aus jeweils vier Strifen 8o, die durch Verbindungselemente 84 miteinander verbunden sind. Die strichpunktierte Linie 86 gibt die kürzeste in sich geschlossene Grenze wieder, die auf der Oberfläche des Elements 72 bezogen werden kann, um den unter dem Streifen 8o des N-leitenden Materials liegenden PN-Übergangsbereichs zu umschließen. Die Punkte 88 bzw. 9o bezeichnen eine Linie lotrecht zu der unter einem der Streifen 8o liegenden PN-Übergang bzw. eine Linie lotrecht zu der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Fläche und innerhalb der Grenze 86. Mit der in sich geschlossenen Grenze 86 ist das Maß χ zwischen den Linien 88 und 9o der größte Abstand zwischen einem Punkt in einem Übergangsfreien Bereich und dem nächsten Punkt in einem Überqangsbereich. Dieser Abstand χ
s ο lite
ist kleiner als 100 Mikrometer, kleiner als zwei Diffusionslängen der vorherrschenden Minoritätsträger in dem Halbleitermaterial des Elements sein und ist vorzugsweise in der Größenordnung von etwa einer solchen Diffusionslänge. Bei dem aus acht Streifen 8o bestehenden fünften Detektor ist die kürzeste in sich geschlossene Grenzlinie, welche den PN-Übergangsbereichs des Elements umschließt, mit 92
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ist
bezeichnet. Auch hier eine beliebige Linie innerhalb dieser Grenze 92 und lotrecht zur Oberfläche weniger als loo Mikrometer von einer Linie lotrecht zu einem unter einem der Streifen 8o gelegenen PN-Übergang entfernt.
In Fig. 6b ist eine Draufsicht auf eine Anordnung von Halbleiterelementen mit Netzwerk- oder Gittermuster in einer Konstruktion nach den Fig. 2a, 2b oder 2c gezeigt. Es sind sechs Detektoren in der Anordndung vorhanden, und einer dieser Detektoren, 94, ist mit der kürzesten in sich geschlossenen Grenzlinie 96 dargestellt, die auf der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Halbleiteroberfläche gezogen werden könnte, um den gesamten PN-Übergangsbereich zu umschließen, der unter dem Gitter 98 des N-leitenden Materials auf oder in der P-leitenden Unterlage 100 liegt. Der Punkt Io2 bezeichnet eine beliebige Linie innerhalb der Umgrenzung 96 und lotrecht zur Oberfläche, während der Punkt Io4 die nächste gedachte Linie lotrecht zum PN-Übergangsbereich unterhalb des Netzwerks 9 8 wiedergibt. Der Abstand χ zwischen diesen Linien beträgt wiederum weniger als 100 Mikrometer. In einer Anordnung von Halbleiterelementen, wie sie in Fig. 6b gezeigt ist, können zwei oder mehrere Elemente parallel miteinander verbunden sein. Hierzu ist ein Verbindungsmittel Io6 dargestellt, welches die Netzwerk- oder Gitterstruktur 98 des Detektors 94 mit der Netzwerk- oder Gitterstruktur Io8 des zweiten Elements Ho verbindet.
In Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung aus Halblei terlementen mit dem strukturellen Aufbau nach den Fig.3a, b oder c gezeigt. Kreisförmige Zonen 112 aus N-leitendem Material oder Schottky-Sperrmetall in oder auf einer P-leitenden Unterlage sind in einem hexagonalen Muster unter Ausbildung
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voneinander getrennter Zonen 112 angeordnet, die ohmisch miteinander durch Verbindungsmittel 116 verbunden sind. In Fig. 6c sind acht derartige Halbleiterelemente dargestellt. Das Element 118 ist mit einer strichpunktierten Linie 12o ringsherum versehen, welche die kürzeste in sich geschlossene Grenzlinie zum Umschließen des PN-Ubergangbereichs des Elements darstellt. Der Punkt 122 veranschaulicht eine beliebige Linie innerhalb der Grenzlinie 12o und lotrecht zur Elementenoberfläche, und der Punkt veranschaulicht die nächste Linie lotrecht auf einem PN-Ubergangsbereichs, der unter einem der kreisförmigen PN-Ubergänge liegt. Wiederum beträgt das Maß zwischen den Linien 122 und 124 weniger als loo Mikrometer und vorzugsweise weniger als zwei Diffusuionslängen und ist in der Größenordnung von etwa einer Diffusionslänge.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterelement eine photovoItaische Diode in der Schottky-Sperrmetallausbildung, wie sie grundsätzlich in Fig. 3c gezeigt ist. Das Halbleitermaterial ist epitaxial zu einer Dicke von einigen Mikrometern auf einer isolierenden Unterlage aus Bariumfluorid oder Strontiumfluorid aufgewachsen. Das Sperrmetall ist vorzugsweise Blei oder Indium, und das Halbleitermaterial ist aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems der Elemente in einer der nachfolgenden Kombinationen ausgewählt:
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(O ± X £ O.4)
(0 ± X < 0.2)
(0 < X < 1)
(0 ± X -^ D
(0 £ X < 0.1)
(0 <c X < 0.1)
PbS PbSe PbTe
Pb1 Sn Te 1-χ χ
Pb. Sn Se 1-χ χ
PbSe1 Te 1-χ χ
PbSl-xSex Pbl-xGexTe Pbl-xCdxTe
Gegenwärtig wird vorgezogen, daß die Streifen aus N-leitendem Material oder die Durchmesser der kreisförmigen Zonen aus N-leitendem Material gemäß der Darstellung in den Zeichnungen eine Abmessung von etwa 0,05 L haben, worin L die Diffusionslänge der vorherrschenden photoerzeugten Menoritätsträger ist. Für die vorstehend aufgeführten Halbleitermaterialien aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems beträgt L etwa fünfzehn Mikrometer, so daß das Maß χ in der Zeichnung weniger als etwa 30 Mikrometer(2L) betragen würde und die Sperre 22 weniger als 15 Mikrometer von dem PN-übergangsbereich entfernt sein würde. Mit Halbleiterelementen nach der Ausführung in den Fig. la, Ib und Ic haben Berechnungen zutage gebracht, daß ein Anwachsen im Erfassungsvermögen D*" um einen Faktor von 3,5 im Vergleich zu herkömmlichen Elementen erzielt werden kann und die Kapazität auf das 0,05-fache der Kapazität für ein herkömmliches Element vermindert werden kann. Ähnliche Werte wurden für Halbleiterelemente mit dem Aufbau nach den Fig. 2a, 2b und 2c erzielt. Was die Ausbildung der kreisförmigen Flächen
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nach den Fig. 3a, 3b und 3c anbetrifft, haben Berechnungen gezeigt, daß das Ansprechvermögen D* um einen Faktor von 9,8 über das Ansprechvermögen herkömmlicher Elemente vervielfacht werden kann. Auch kann die Kapazität des Elements um einen Faktor von 8 χ 10
Element vermindert werden.
-4
um einen Faktor von 8 χ 10 gegenüber einem herkömmlichen
Als ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes photovoltaisches Halbleiterelement aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems kann eine Schottky-Sperrdiode aus Blei auf einer P-leitenden Epitaxieschicht PbTe mit einer isolierenden Unterlage BaF2 hergestellt werden. Bei einer typischen Betriebstemperatur von 77°K kann die Minoritätsträger-Di ff us ions länge L in der Größenordnung von fünfzehn Mikrometern abgeschätzt werden. Der optische Absorbtionskoeffizient für eine drei bis fünf Mikrometer-Strahlung liegt in der Größenordnung von einem Mikrometer, so daß eine wirksame Absorbtion mit einer Schicht in der Größenordnung von ein Mikrometer Dicke erhalten wird. Ubergangsabmessungen (Breite, Durchmesser, usw.) von etwa einem Mikrometer (angenähert das 0,1-fache der Diffusionslänge L) sind mit herkömmlichen Photolithographie-Verfahren erreichbar. Die Streifenbreite und der Durchmesser des kreisförmigen PN-Ubergangs entsprechend der obigen Erwähnung wurden an diese Abmessungen angepaßt. Dadurch kann in Abhängigkeit von der Geometrie des erfindungsgemäß konstruierten Elements das Jbhnson-störbegrenzte Ansρrechvermögen D^Von photovoltaischen PbTe-Detektoren um einen Faktor von angenähert 3 bis 10 vergrößert und ihre Kapazität um einen Faktor/von angenähert 20 bis 1000 vermindert werden.
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Was die Anwendung der Erfindung auf photovoltaische Detektoren zur Erfassung von Infrarotstrahlungen in thermischen Abbildungssystemen anbetrifft, liegt die beste Arbeitsleistung für eine herkömmliche Diodenanordnung mit einem
Sichtfeld von 180° und einer Temperatur von 170 K bei einem Drittel des rauschbegrenzten AnsρrechVermögens D .
Das Halbleiterelement nach der Erfindung gibt schätzungsweise volle störbegrenzte Arbeitsleistung bei etwa 1900K
für 3-5 Mikrometer-Systeme. Die erforderliche Kühlleistung für den Betrieb der Detektoren nach der Erfindung wird mit einem Fünftel der für herkömmliche Diodensysteme erforderlichen Kühlleistung veranschlagt.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Halbleitermaterialien aus den Gruppen IV und VI des periodischen Systems erscheinen auch die folgenden Halbleiterzusammensetzungen aus den Gruppen III und V für das Element brauchbar :
GaAs, InAs, GaSb und InSb. Darüber hinaus werden auch die folgenden pseudobinären Legierungen aus den Gruppen III und V als Halbleitermaterial zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Element für brauchbar gehalten: Ga1 In As (0 c χ < 1), GaAsl-xSbx (0 - X - 1] Und InAsl-xSb x (0 < χ < 1).
Auch Hg1 Cd Te (0 _ χ _f 0.4) wird für ein brauchbares
X~X X ~~
Halbleitermaterial zur Verwendung in einem Element nach der Erfindung gehalten, wenn der Cd-Gehalt groß genug ist, um einen positiven Bandabstand zu liefern.
Als Beispiel für ein Halbleiterelement der Gruppen III und V mag InSb als Halbleitermaterial in Betracht gezogen werden. Der 77°K-Bandabstand beträgt o,228 eV, was einer Grenzfrequenz-Wellenlänge von angenähert 5,4 Mikrometer entspricht.
Somit ist InSb brauchbar zur Erfassung einer Strahlung
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im atmosphärischen 3-bis 5-Mikrometer—Übertragungsband. Bei der typischen Betriebstemperatur von 77 K betragen ι Elektronen-Lebensdauern in P-leitendem Material etwa 4 χ 10~ sek. (R.A. Laff und H.Y. Fan, Phys.Rev., Volumi 121, Seite 53, 1961).
Die Elektronenbeweglichkeiten bei 77 K bewegen sich
5 2-1 -1
zwischen etwa 10 cm V see für Material mit Verunreinigungskonzentrationen von 10 bis 10 cm bis zu 10 cm V~ see" für reinste Kristalle (S.G. Parker, J. Elektrochem. soc, Volumen 112, Seite 80, 1965). Dies ergibt Diffusionslängen für Minoritätselektronen in der Größenordnung von fünf bis sechzehn Mikrometer bei 77°K. Für eine solche Diffusions länge von der Größenordnung von zehn Mikrometern lassen sich die Verbesserungen der Erfindung durch Diffusionen von N-leitenden Verunreinigungen (Dopants) in P-leitendes Material erzielen, um eine Anordnung von kreisförmigen Ubergangsbereichen zu liefern, die angenähert einen Mikrometer im Durchmesser haben und angenähert zehn Mikrometer voneinander entfernt sind. Diese kreisförmigen Übergangsbereiche werden natürlich zueinander ohmisch parallel geschaltet, und die für das erfindungsgemäße Element erforderliche begrenzende Sperre kann durch Steigerung der Akzeptorkonzentration von beispielsweise 10 cm auf 10 cm für das InSb erhalten werden, das sich mehr als angenähert ein Mikrometer unterhalb der Oberfläche des Halbleiterelements befindet.
In Bezug auf Hg1- Cd Te zur Verwendung als Material in dem erfindun «gemäßen Element ist die Bandbreite für dieses Material von D. Long und J.L. Schmit in dem Werk "Semiconductors and Semimetals", Band 5, Seite 175, herausgegeben von R.K.Willardson und A.C. Beer, Academic Press, New York, 197o wie folgt vorgegeben :
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E = -0.25 + 1.59X + O.327X3 + 5.233 X 1θ"4Τ(1-2.Ο8χ).
Dies gestattet die Auswahl der Grenzfrequenz-Wellenlänge für den interessierenden Spektralbereich mit einer besonderen Betriebstemperatur. Zwei Bandabstände von besonderem Interesse sind angenähert 0,24 eV und 0.09eV, was den Grenz frequenz-Wellenlängen von fünf Mikrometern bzw. vierzehn Mikrometern für Detektoren entspricht, die in atmosphärischen drei bis fünf Mikrometern- und acht bis vierzehn Mikrometer" -Fenstern arbeiten würden. Die Konstruktionserwägungen zur Verwendung von Hg1- Cd Te ändert sich nicht wesentlich über den angenäherten Zusammensetzungsbereich 0.1 _ χ £ 0.4 hinaus. Zur Veranschaulichung sind eine Bandbreite von 0.09 eV und eine Betriebstemperatur von 77°K gewählt. In diesem Fall beträgt χ angenähert O.20.
Die Lebensdauer von Hg1 Cd Te ist als begrenzt durch Strahlungsrekombination und als abhängig von der Zusammensetzung der Trägerkonzentration aufgezeigt worden. Für P-leitendes Material bei 77°K mit χ = 0.2 und ρ = 10 cm beträgt die Lebensdauer der Minoritätsträger angenähert
—8
2 χ 10 Sekunden, was zusammen mit einer Elektronenbeweg-
5 2-1 -1 lichkeit von angenähert 3 χ 10 cm V see eine Berechnung der Diffusionslänge der Minoritätsträger gestattet. Unter Verwendung der obigen Zahlen ist die Diffusions länge angenähert sechzig Mikrometer.
Eine Begrenzung der photoerzeugten Minoritätsträger auf eine Zone mit einer Dicke von wesentlich weniger als der Diffusions länge läßt sich durch Schaffung einer Potentialsperre wenige Mikrometer unterhalb der Oberfläche erzielen. Für eine wirksame Begrenzung sollte diese Sperre eine Potentialenergie von mindestens kT entsprechen, und eine Energie von mindestens 3kT wird vorgezogen. Diese Sperre kann durch
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Schaffung einer Zone von Hg Cd Te erzielt werden, worin χ
_L "*X X
=0.2 und die Akzeptorkonzentration des P-leitenden
17 — 3
Materials 10 cm sind. Eine zweite Zone des Halbleitermaterials Hg Cd Te und eine Sperre werden durch Vergröße-
X~™X X
rung der Trägerkonzentration des Materials auf zwischen
18 19 —3
10 und 10 cm erhalten. Auch läßt sich eine Sperre durch Anreicherung der Zusammensetzung des Halbleiter materials in Richtung eines größeren Gehalts an Cd erzielen, so daß es eine größere Bandbreite E hat. Für eine 3kT-
ο
Sperre bei 77 K erfordert die Potentialenergiedifferenz für Elektronen etwa 0.02eV. Demzufolge kann die Sperre dadurch erhalten werden, daß die Oberfläche P-leitend mit χ = 0.20(E =0.09) und das darunter befindliche Material in ähnlicher Weise P-leitend, jedoch mit χ angenähert gleich 0.21 entsrechend E angenähert 0.11 gemacht wird. Solch ein Aufbau läßt sich unter Benutzung der Dampftransportmethode erzielen, wie sje von G. Cohen-Solal, Y Marfaing, F. Bailly und M. Rodot, in Compt.Rend, Band 261, Seite 931, 1965) beschrieben ist. Die oben beschriebenen Verbesserungen können dann durch Eindiffundieren einer Verunreinigung (Dopant) in das Material vorgenommen werden, um eine Anordnung von ohmisch verbundenen N-leitenden Zonen mit sechs Mikrometer Durchmesser zu liefern, die angenähert hundert Mikrometer innerhalb des P-leitenden Hg1 Cd Te
_ J. *"X X
voneinander entfernt sind.
Die verschiedenen in den Zeichnungen wiedergegebenen geometrischen Configurationen dienen der Veranschaulichung der zur Anwendung der Erfindung benutzten Prinzipien.
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Verschiedene andere Configurationen lassen sich verwenden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Patentansprüche
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3.t
Leerseite

Claims (21)

  1. Patentansprüche
    Photovoltaisches Halbleiterelement zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen mit einer Lichtquantenergie größer oder gleich dem Bandabstand des die Strahlung absorbierenden und mit einem Oberflächenbereich der Strahlung ausgesetzten Halbleitermaterials, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial im Inneren einen im wesentlichen parallel zu diesem Oberflächenbereich verlaufenden PN-Ubergangsbereich als Netzwerk entweder in Gestalt von Streifen aus miteinander verbundenen PN-Ubergängen oder in Gestalt einer Vielzahl elektrisch zueinander parallel geschalteter einzelner PN-Ubergänge aufweist, wobei eine gedachte kürzeste, in sich geschlossene Grenzlinie, die auf der Halbleiteroberfläche zur Umschließeung des gesamten PN-Ubergangsbereichs gezogen werden kann, einen Gesamtbereich des HalbIeiterelernents umschließt, der doppelt so groß wie der zur Halbleiteroberfläche im wesentlichen parallele PN-Ubergangsbereich ist, wobei ferner eine gedachte Linie lotrecht zur Halbleiteroberfläche und innerhalb der in sich geschlossenen Grenzlinie weniger als 100 um von wenigstens einer auf dem PN-Übergangsbereich lotrecht stehenden gedachte Linie entfernt ist und wobei das Element eine Sperre zur Beschränkung pho-toerzeugter Minoritätsträger auf eine Zone auf der dem PN-Übergangsbereich näheren Seite dieser Sperre innerhalb des Halbleitermaterials aufweist, welche weniger als 50 pn von der PN-Übergangszone, lotrecht zu dieser gemessen, angeordnet ist.
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    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Halbleiterlement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gedachte Linie lotrecht zur Halbleiteroberfläche weniger als 30 pn von der wenigstens einen auf dem PN-Ubergangsbereich lotrecht stehenden gedachten Linie entfernt ist und die Sperre weniger als 15 pm von der PN-Übergangszone,lotrecht zu dieser gemessen, angeordnet ist.
  3. 3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Sperre zwischen dem Halbleitermaterial und einer dieses tragenden Unterlage aus Isoliermaterial gebildet ist.
  4. 4. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus BaF_ oder SrF_ besteht.
  5. 5. Halbleiterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial zwei Zonen gleicher Leitfähigkeit, jedoch unterschiedlicher Majoritätsträgerkonzentration; aufweist, zwischen denen die Sperre gebildet ist, wobei die photoerzeugten Minoritätsträger auf die Zonelnit der kleineren Majoritätsträgerkonzentration beschränkt sind.
  6. 6. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein auch im Halbleitermaterial aufgeschichtetes zweites Halbleitermaterial mit größerer Bandabstandsenergie zwischen seinem Valenzband und seinem Leitungsband im Verhältnis zum ersten Halbleitermaterial, wobei die Sperre von dem heterogenen übergang
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    zwischen den beiden Halbleitermaterialien gebildet ist.
  7. 7.Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre eine Energiesperre von mehr als das oder gleich dem Produkt kT ist, in welchem k die Boltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur des Halbleitermaterials sind.
  8. 8. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der PN-übergansbereich durch eine auf dem Halbleitermaterial durch örtliche Entfernung solchen Materials gebildete Mesa-Struktur bestimmt ist.
  9. 9. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine ebene Oberfläche mit voneinander getrennten Raumteilen von größerer Majoritätsträgerkonzentration in entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Majoritätsträgerkonzentration in dem Rest des Halbleitermaterials aufweist.
  10. 10. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Oberfläche des Halbleitermaterials ein Schottky-Sperrmetall angeordnet ist, von dessen Vorhandensein der PN-Übergangsbereich herrührt.
  11. 11. Halbleiterelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Schottky-Sperrmetall Blei ist.
    Fo 888ohg/29.3.1978
    809841/0849
  12. 12. Halbleiterelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Schottky-Sperrmetall Indium ist.
  13. 13. Halb Ie i te re lementen ach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial PbS ist.
  14. 14. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial PbSe ist.
  15. 15. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial PbTe ist.
  16. 16. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Pb1 Sn Te (0 C χ < 0.4) ist.
    1~X X
  17. 17. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Pb1 JSnSe (0 < x<0.2) ist.
    J_ —X X — —
  18. 18. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial PbSe1- Te (0 < χ < 1) ist.
  19. 19. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial PbS1 Sev (0 < χ < 1) ist.
    X-X X ™* ^- ,·
    Fo 888ohg/29.3.1978
    8 098 A1/0849
  20. 20. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Pb1 Ge Te (0 < χ *v 0.1) ist.
  21. 21. Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Pb, Cd Te (0 - χ * 0.1) ist.
    .L Ji Ji
    Fo 888ohg/29.3.1978
    8098A1/0849
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