DE3125292C1

DE3125292C1 - Waermestrahlungs-Abbildungsgeraet

Info

Publication number: DE3125292C1
Application number: DE3125292A
Authority: DE
Inventors: David Eric Charlton; Charles Thomas Elliott
Original assignee: Philips Electronic and Associated Industries Ltd
Current assignee: Philips Electronics UK Ltd
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1981-06-27
Publication date: 1989-12-21
Also published as: GB1605321A; US4931648A; FR2633730A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmestrah lungs-Abbildungsgerät, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, in dem durch Absorption von Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches freie Ladungsträger erzeugt werden, sowie voneinander getrennt angeordneten Vorspannelektroden auf dem Halbleiterkörper, über die ein vorwiegend aus Majoritätsladungsträgern bestehen der Vorspannungsstrom in dem Halbleiterkörper in einer be vorzugten Richtung und parallel zu einer Haupt-Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugt wird und dieser Vorspannungs strom eine ambipolare Drift von durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern in der entgegengesetzten Richtung unterstützt, wobei ein Strahlungsbild über die Haupt-Oberfläche des Halbleiterkörpers in der gleichen Rich tung wie die ambipolare Drift und mit einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen der Geschwindigkeit der ambipolaren Drift entspricht, abgetastet wird.

Wärmestrahlungs-Abbildungsgeräte dienen zur Umsetzung eines fokussierten Strahlungsbildes, vorwiegend im Infrarot-Bereich, der Temperatur- und Wärmeausstrahlungs-Unterschiede einer gegebenen Szene in ein sichtbares Bild. Bisher wurden üb licherweise Geräte verwendet, bei denen das Bild Zone um Zone über ein oder mehrere Detektorelemente abgetastet wird, die die IR-Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln. Bei Verwendung mehrerer Detektorelemente werden diese im allge meinen in linearer Form angeordnet. Die Abtastung erfolgt entweder in der Form, daß jedes einzelne Element einen sepa raten Teil des gleichen Bildes abtastet - die sog. Parallel abtastung -, oder daß jede Zone des Bildes der Reihe nach auf jedes Element fokussiert wird - die sog. Serien abtastung. Bei beiden Systemen bedeutet die Bereitstellung einer linearen Anordnung der Elemente, daß jedes Element ein zeln mit Kontakten versehen werden muß. Im Falle großer Bau gruppen entstehen hierdurch erhebliche technische Probleme bei der Herstellung, nicht nur in bezug auf die Elemente, sondern auch bei deren Einkapselung, insbesondere da viele Detektorgeräte zum Betrieb bei niedrigen Temperaturen wie z. B. 77 K ausgelegt sind und vakuumdicht eingekapselt werden müssen, wobei die Zuleitungen zu den einzelnen Elementen durch die Kapselung hindurchgehen, um die Verbindung mit der im allgemeinen nicht gekühlten, externen Schaltanordnung her zustellen.

Ein Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät mit den im vorstehenden Absatz spezifizierten Eigenschaften ist in der britischen Patentschrift GB 14 88 258 beschrieben. Diese Geräte und Systeme ermöglichen es, einige Nachteile in Zusammenhang mit der Verwendung herkömmlicher Serien- oder Parallel-Ab tastungssysteme mit linear angeordneten Detektorelementen zu vermeiden; darüber hinaus bieten sie die Möglichkeit, eine gegenüber herkömmlichen Systemen verbesserte Leistung zu er zielen. Bei dem beschriebenen System wird ein einzelnes fa denförmiges Element infrarotempfindlichen Halbleitermaterials verwendet, in dem bei Absorption von Strahlung eines be stimmten Wellenlängenbereichs freie Ladungsträger erzeugt werden können. Voneinander getrennte ohmsche Kontakte an den gegenüberliegenden Enden des Halbleiterkörpers gestatten die Erzeugung eines Vorspannungsstroms in Längsrichtung des Halb leiterkörpers sowie die Unterstützung einer ambipolaren Drift von durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern Der Betrieb beruht auf der Abtastung eines Strahlungsbildes entlang der Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen den Kontakten in Richtung der ambipolaren Drift sowie mit einer der ambipolaren Driftgeschwindigkeit der Minoritätsladungs träger entsprechenden Geschwindigkeit. An einem Ende des Halbleiterkörpers werden Auslesevorrichtungen entweder in der Form eines Paars ohmscher Kontakte oder eines Gleich richterkontaktes und eines ohmschen Kontaktes vorgesehen. Im erstgenannten Fall wird das Bildsignal zwischen dem Paar ohmscher Kontakte gemäß der Leitfähigkeitsmodulation gewonnen, die aufgrund des Durchgangs der lichtelektrisch erzeugten Minoritätsladungsträger in der Zone des Halbleiter körpers zwischen den ohmschen Kontakten auftritt. Bei Ver wendung eines Gleichrichterkontakts und eines ohmschen Kon takts für das Auslesen wird das Bildsignal aus einem Aus gangsschaltkreis gewonnen, der diese Kontakte umfaßt, wobei sich der Gleichrichter entweder in nichtvorgespanntem Zu stand oder in in Sperrichtung vorgespanntem Zustand befindet und somit einen Extraktionsweg für die Minoritätsladungs träger bildet.

Für den erfolgreichen Betrieb von Geräten, wie sie in der genannten britischen Patentschrift GB 14 88 258 beschrieben sind, lautet eine Grundforderung, daß die effektive Länge des Halbleiterkörpers, d. h. die Länge, über die die Bild abtastung effektiv zur Abgabe eines Ausgangssignals bei trägt, sowie die Anordnung der Auslesevorrichtungen so be schaffen sind, daß die lichtelektrisch erzeugten Minoritäts ladungsträger in der ambipolaren Drift die Auslesevorrich tungen in einer Zeitspanne erreichen, die kürzer als die durchschnittliche Elektron-Loch-Rekombinationszeit des Halb leitermaterials ist. Hierdurch ergeben sich bestimmte Ein schränkungen in bezug auf die effektive Länge des Halbleiter körpers, die räumliche Trennung der Anzeigeelektroden sowie die Wahl des Halbleitermaterials. Bei dem Material ist es wünschenswert, daß dieses über die Eigenschaften einer sehr langen Minoritätsladungsträger-Lebensdauer und einer geringen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit verfügt. Im Falle von Cadmiumquecksilbertellurid wird n-Typ-Material gewählt, weil bei diesem Material das Verhältnis der Elektronen /Loch-Mobilität im Bereich von 50 : 1 bis 400 : 1 liegen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmestrahlungs-Abbildungs gerät anzugeben, mit dem es möglich ist, erheblich kompli ziertere Systeme und Geräte zu konstruieren, deren Betrieb der Beschreibung in der britischen Patentschrift GB 14 88 258 entspricht, wobei es mit den genannten Systemen und Geräten möglich ist, erhebliche Einsatz- und Leistungsvorteile zu er zielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Ausleseelektroden, die jeweils mit dem Halbleiter körpermaterial des gegebenen Leitfähigkeitstyps eine gleich richtende Sperrschicht bilden und die in dem Weg der ambipo laren Drift zwischen den Vorspannelektroden angeordnet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät gestattet die Verwendung mehrerer Auslese-Vorrichtungen, die jeweils eine gleichrich tende Sperrschicht aufweisen, erhebliche Verbesserungen in bezug auf die Einsatzmöglichkeiten, was im folgenden unter Bezugnahme auf die verschiedenen spezifischen Geräteausfüh rungen beschrieben werden soll. Die Grundlage für die Er zielung derartiger Vorteile besteht darin, daß bei Einbau einer gleichrichtenden Sperrschicht an der Auslese-Elektrode ein aus dem hieran angeschlossenen Ausgangsschaltkreis ge wonnenes Signal repräsentativ für den Augenblickswert der Minoritätsladungsträger ist, die durch die Sperrschicht aus der ambipolaren Drift in der näheren Umgebung der gleich richtenden Sperrschicht, die sich in Betrieb in einem nicht vorgespannten Zustand oder einem in Sperrichtung vorgespannten Zustand befindet, extrahiert werden. Die Position einer der artigen gleichrichtenden Sperrschicht im Verhältnis zu der Vorspannelektrode ist nicht kritisch, sofern die Impedanz der gleichrichtenden Sperrschicht im Vergleich zum Widerstand des Halbleiterkörperteils zwischen der gleichrichtenden Sperr schicht und einem Elektrodenanschluß auf dem Halbleiterkörper, der auf einem Bezugspotential wie z. B. einer Vorspannelektrode gehalten wird, groß ist. Die Länge eines Teils der Halblei terkörper-Oberfläche vor der gleichrichtenden Sperrschicht, über die die gesamte Integration der freien Minoritäts ladungsträger, die in diesem Teil durch Abtastung eines Bil des über den genannten Teil in Längsrichtung dieses Teils erzeugt werden, beeinflußt werden kann, ist jedoch auf einen effektiven Abstand L _eff von der gleichrichtenden Sperrschicht gemäß der Formel

L _eff = τ Eµ_a

begrenzt, wobei
τ die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in dem Halbleitermaterial,
E das elektrische Feld und
µ_a die ambipolare Mobilität für das Halbleitermaterial
sind, die im allgemeinen der Mobilität der Minoritätsladungs träger entspricht. Dies muß bei der Anordnung der Auslese- Elektroden bei den verschiedenen Ausführungsformen des Geräts, die nachstehend beschrieben werden sollen, berücksichtigt wer den.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auslese-Elektroden jeweils eine an die Oberfläche an grenzende Zone mit entgegengesetzten Leitfähigkeitseigenschaf ten aufweisen, wodurch im Betrieb die durch die Strahlung er zeugten freien Ladungsträger in der ambipolaren Drift in der näheren Umgebung der an die Oberfläche angrenzenden Zone mittels der gleichrichtenden Sperrschicht extrahiert werden, die zwischen der an die Oberfläche angrenzenden Zone und dem Halbleiterkörpermaterial des genannten Leitfähigkeitstyps gebildet wird. Daher können z. B. bei Verwendung eines Halb leiterkörpers aus n-Typ-Cadmiumquecksilbertellurid die ge nannten Elektroden eine Vielzahl von an die Oberfläche an grenzenden Zonen aufweisen, die p-Typ-Eigenschaften haben.

Bei anderen Ausführungsformen des Geräts kann die gleich richtende Sperrschicht unterschiedlich beschaffen sein, z. B. können die Ausleseelektroden jeweils eine Metallschicht auf dem Halbleiterkörper aufweisen und mit dem Material des Halbleiterkörpers eine Schottky-Barriere bilden.

Hierbei ist der Verweis auf eine Zone mit den Eigenschaften eines bestimmten Leitfähigkeitstyps so zu verstehen, daß die Zone diese Eigenschaften nicht notwendigerweise bei Raum temperatur, jedoch bei der beabsichtigten Betriebstemperatur des Gerätes zeigt. Dementsprechend ist ein Verweis auf einen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps in gleicher Weise auszulegen. In dem speziellen Fall der Ver wendung von n-Typ-Cadmiumquecksilbertellurid als Material für den Halbleiterkörper und einer beabsichtigten Betriebs temperatur des Geräts von 77 K muß das Vorhandensein einer gleichrichtenden Sperrschicht zwischen dem Halbleiterkörper und einer solchen Zone, die den Teil einer Ausleseelektrode darstellt, nicht notwendigerweise bei Raumtemperatur erkenn bar sein.

Bei einer weiteren Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Aus leseelektroden in regelmäßigen Abständen entlang einer Linie in der Richtung der ambipolaren Drift zwischen den Vor spanneinrichtungen angeordnet. Dieses Gerät kann man als eine monolithische Mehrfach-Linearanordnung bezeichnen; bei einem solchen Gerät wird in einem einzigen Halbleiterkörper das Gegenstück zu einer Vielzahl von hintereinander verwendeten Geräten verwirklicht. Bei diesem Gerät können Vorteile in bezug auf den Störabstand erzielt werden, der der Signal- Rausch-Integration über im wesentlichen die gesamte Länge des Halbleiterkörpers zwischen den Vorspannelektroden und nicht nur der Länge L _eff entspricht.

Bei einem monolithischen Mehrfach-Lineargerät der genannten spezifischen Ausführungsform kann der Abstand in Richtung der ambipolaren Drift zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausleseelektroden maximal das Dreifache der mittleren Ent fernung betragen, die von den durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern in ihrer Lebensdauer in dem Halbleitermaterial zurückgelegt werden kann; vorzugsweise wird dieser Abstand in der Größenordnung des Abstandes L _eff gewählt, über den die Integration des größten Teils der durch die Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträger beim Durchlaufen eines Strahlungsbildes über die Oberfläche ohne Rekombination auftreten kann. Auf diese Weise kann die Signalintegration über den größten Teil der Länge des faden förmigen Elements bewirkt werden. Der exakte Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausleseelektroden wird jedoch in Übereinstimmung mit den Eigenschaften des Halbleiterkörper- Materials gewählt, insbesondere entsprechend dem Wellenlängen bereich, für den das Material empfindlich ist. Dies erfolgt, um ein Verschwimmen des Bildes aufgrund der nach außen ge richteten Spreizung zu vermeiden, die auftritt, wenn ein Pa ket von durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungs trägern sich auf die Ausleseelektroden zubewegt. Aus diesem Grunde können die Auswirkungen des Verschwimmens aufgrund der Diffusion in Materialien, bei denen die Minoritätsladungs träger über eine längere Lebensdauer und somit eine größere Diffusionslänge verfügen, leichter auftreten. Bei Verwendung dieser Materialien und insbesondere Material mit einer Ab sorptionskante im Bereich von 3 bis 5 Mikron kann es ange bracht sein, den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausleseelektroden wesentlich kleiner als die maximale Inte grationslänge L _eff und kleiner als die mittlere Entfernung zu wählen, die von den durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern im Laufe ihrer Lebensdauer in dem Material zurückgelegt werden kann.

Der Betrieb eines monolithischen Mehrfach-Lineargerätes gemäß der Erfindung kann in gewisser Weise der Beschreibung in dem genannten britischen Patent entsprechen, wobei die aus den aufeinanderfolgenden Ausleseelektroden gewonnenen Aus gangssignale beispielsweise einer Anzapf-Verzögerungsleitung oder einer anderen Form eines Zeitverzögerungs- und Inte grations-Schaltkreises zugeführt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform werden die aus den Auslese elektroden gewonnenen Ausgangssignale direkt angesteuerten Anzeige-Elementen zugeführt.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Ge rätes sind die Ausleseelektroden bezüglich der Oberfläche zwischen den Vorspannelektroden, über die die ambipolare Drift erzeugt wird, im rechten Winkel zur Richtung der ambi polaren Drift angeordnet. Eine derartige Anordnung könnte allgemein als monolithische Parallelanordnung bezeichnet wer den. Mittels dieser Anordnung kann beispielsweise eine Viel zahl von Zeilen eines Strahlungsbildes gleichzeitig abgetastet werden, wobei jeder Zeile des Bildes ein Teil des Halbleiter körpers zugeordnet ist, mit dem gleichermaßen eine Auslese elektrode verbunden ist. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung können die Ausleseelektroden beispielsweise in wenigstens einer Linie im rechten Winkel zu der Richtung der ambipolaren Drift oder in einer komplexeren Verteilung ange ordnet werden.

Bei einer bestimmten Ausführungsform sind die Ausleseelektro den in zwei Linien angeordnet, die jeweils normal zur Rich tung der ambipolaren Drift verlaufen; in dieser Richtung sind die Elektroden einer Linie bezüglich der Elektroden der anderen Linie versetzt angeordnet. Bei dieser Ausführungs form entspricht die zweidimensionale Anordnung der Auslese elektroden der Anordnung von Anzeige-Elementen einer Matrix- Darstellung, die an das Abbildungsgerät angeschlossen ist, wobei jedes Anzeige-Element gemäß dem repräsentativen Signal der integrierten Minoritätsladungsträger mit Energie be aufschlagt wird, das aus der dementsprechend angeordneten und angeschlossenen Elektrode auf dem Halbleiterkörper des Abbildungsgeräts gewonnen wird. Eine solche Matrix- Darstellung kann mit einem optischen System betrachtet werden, das eine eindeutige Abbildung der Bildabtastung liefert, z. B. bei Verwendung eines Prismensystems. Mit einer bevorzugten versetzten Anordnung der Ausleseelektroden kann eine voll ständige Abtastung des Bildraums ohne tote Zonen zwischen den Zeilen erzielt werden.

Andere Anordnungen, bei denen die Eigenschaften der Mehr fach-Linearanordnung mit denen der monolithischen Parallel anordnung kombiniert werden, können gemäß dem beabsichtigten Anwendungszweck gewählt werden.

So können die Ausleseelektroden bezüglich der Oberfläche zwischen den Vorspannelektroden-Vorrichtungen, auf der die ambipolare Drift erzeugt werden kann, parallel zur Richtung der ambipolaren Drift und im rechten Winkel zur ambipolaren Drift angeordnet werden; die Ausleseelektroden können bei spielsweise regulär angeordnet sein.

Derartige zweidimensionale Anordnungen gestatten die gleich zeitige Ausführung einer Kombination von Serien- und Parallel abtastung. Diese Betriebsweise, im allgemeinen als "Block- Abtastung" bezeichnet, ist die in der Praxis am häufigsten verwendete Form der Infrarot-Wärmeabbildung.

Als eine weitere Alternative kann eine geometrische Anordnung der Ausleseelektroden entsprechend der geometrischen Anordnung von dementsprechend angeschlossenen spezifisichen Matrix- Darstellungselementen in der gewünschten Form gewählt werden.

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung bei spielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Schema zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Halbleiter körpers und der aufgebrachten Schichten eines Wärme strahlungs-Abbildungsgerätes gemäß der Erfindung in Form eines monolithischen Mehrfach-Lineargerätes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Gerät entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungs gemäßen Wärmestrahlungs-Abbildungssystems unter Ver wendung eines Wärmestrahlungs-Abbildungsgeräts gemäß den Darstellungen in Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Halbleiter körpers und der aufgebrachten Schichten eines an deren erfindungsgemäßen Wärmestrahlungs-Abbildungs geräts in Form einer monolithischen Parallelanordnung und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil des in Fig. 4 gezeigten Geräts sowie zusätzlich auf einen Teil einer Dar stellungsvorrichtung, die an das Wärmestrahlungs- Abbildungsgerät angeschlossen ist.

Unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Ausführungs form besteht das Gerät aus einem Saphir-Schichtträger 1 mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Hauptoberfläche 2 von 1 cm × 1 cm. Auf der Oberfläche 2 ist ein im wesentlichen rechteckiger Halbleiterkörper 3 mit den Abmessungen 2,5 mm × 50 µm × 10 µm Dicke befestigt. Bei dieser Ausführungsform be steht der Halbleiterkörper 3, der mittels einer Schicht 4 eines Epoxid-Klebemittels mit einer Dicke von ca. 0,5 µm auf der Oberfläche des Schichtträgers 2 befestigt ist, aus n-Typ-Quecksilbercadmiumtellurid Hg_0,79Cd_0,21Te mit einer Ladungsträgerkonzentration von unter 5 × 10¹⁴ cm^-3. Im Ma terial dieser Zusammensetzung liegt die Absorptionskante bei einer Betriebstemperatur von 77 K bei einer Wellenlänge von etwa 11,5 µm. Bei diesem Material reicht die Absorption von IR-Strahlung im Bereich von 8 bis 14 µm zur Bildung von Elektron-Loch-Paaren aus, wobei die Mobilität der Löcher bei der beabsichtigten Betriebstemperatur von 77 K einen Wert von 600 cm² V^-1 sec^-1 erreicht und die Lebensdauer 2,5 Mikrosekunden beträgt. Die Mobilität der Elektronen liegt bei etwa 2 × 10⁵ cm² V^-1 sec^-1.

Auf der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 3 befindet sich eine Passivierungsschicht 5 von etwa 0,1 µm Dicke, die hauptsächlich aus Quecksilber-, Cadmium- und Telluroxiden besteht. An den gegenüberliegenden Enden auf der Oberfläche des rechteckigen Körpers 3 befinden sich Vorspannelektroden 6 und 7, bestehend aus aufgedampften Goldschichten mit einer Dicke von etwa 0,1 µm, die jeweils mit der Halbleiter körper-Oberfläche ohmsche Kontakte bilden. Die Abmessungen der Elektroden 6 und 7 in Längsrichtung des Körpers 3 be tragen 100 µm.

Angrenzend an die Fläche 5 des Halbleiterkörpers befin den sich sechs Zonen 8 bis 13 einschließlich mit p-Typ-Eigen schaften; diese Zonen wurden durch örtliche Umwandlung der an die Oberfläche angrenzenden Teile des n-Typ-Körpers zu Material mit p-Typ-Eigenschaften gebildet. Jede Zone 8 bis 13 einschließlich weist eine Fläche von ca. 30 µm × 50 µm auf, wobei die kleinere Abmessung parallel zur Längsrich tung des Halbleiterkörpers 3 verläuft. Die pn-Übergänge zwischen den p-Typ-Zonen 8 bis 13 einschließlich und dem n-Typ-Halbleiterkörper 3 reichen von der Oberfläche des Halb leiterkörpers 3 aus etwa 2 µm in den Körper hinein. Bei dieser Ausführungsform sind die Endpunkte der genannten pn- Übergänge in der Oberfläche so dargestellt, daß sie von der Passivierungsschicht 5 bedeckt werden; je nach Art der ver wendeten Passivierung und der Oberflächen-Rekombinations eigenschaften kann es jedoch bei anderen Ausführungsformen erwünscht sein, die Passivierungsschicht in diesen Bereichen zu entfernen, wenn diese Passivierungsschicht durch ein Ver fahren erzeugt wird, das die Oxidation von Quecksilber cadmiumtellurid umfaßt. Bei der vorliegenden Ausführungsform befinden sich über den p-Typ-Zonen 8 bis 13 einschließlich Öffnungen in der Passivierungsschicht, die jeweils 40 µm × 20 µm groß sind und in denen sich Metallschichtkontakte 15 bis 20 einschließlich befinden, die jeweils aus Gold mit einer Dicke von 0,5 µm bestehen. Die Kontakte 15 bis 20 einschließlich bilden zusammen mit den zugehörigen p-Typ- Oberflächenzonen 8 bis 13 einschließlich eine Reihe von Ausleseelektroden mit einem gegenseitigen Abstand von je 0,5 mm. Auch der Längsabstand zwischen den Mittelpunkten der Ausleseelektrode 8,15 und der angrenzenden Kante der Vor spannelektroden-Schicht 6 beträgt 0,5 mm. In gleicher Weise beträgt der Längsabstand vom Mittelpunkt der Ausleseelektrode 13, 20 zur angrenzenden Kante der Vorspannelektroden-Schicht 7 0,5 mm.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung sind die elektrischen Verbindungen zu den Vorspannelektroden-Schichten 6 und 7 sowie die elektrischen Verbindungen zu den Auslese elektroden-Schichten 15 bis 20 einschließlich in Fig. 1 und 2 nicht gezeigt. Diese Verbindungen können aus Golddrähten be stehen, die auf die Oberfläche der Elektrodenschichten auf gelötet oder auf konventionelle Weise aufgebondet werden. Die weitere Befestigung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Geräts erfolgt gemäß dem spezifischen beabsichtigten Verwendungs zweck; im allgemeinen wird dies jedoch die Anbringung des Schichtträgers 1 in einem luftleer gemachten Gehäuse um fassen, das ein Fenster zur Übertragung von IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 8 bis 14 µm aufweist und über Mög lichkeiten verfügt, den Halbleiterkörper 3 bei einer Tem peratur von 77 K zu halten. Eine solche Anordnungsform be steht aus der Dewar-Einkapselung, wie sie im allgemeinen in der IR-Detektortechnik verwendet wird.

Der Betrieb des in Fig. 1 und 2 gezeigten Gerätes soll nun anhand von Fig. 3 beschrieben werden, in dem ein Diagramm eines Teils eines Wärmestrahlungs-Abbildungssystems ein schließlich eines Gerätes der in Fig. 1 und 2 gezeigten Form abgebildet ist. Der Halbleiterkörper 3 ist in Fig. 3 als ein Längsstreifen gezeigt; die sechs Ausleseelektroden bilden die Dioden D₁ bis D₆ auf dem Streifen. In Reihe mit den so gebildeten Dioden D₁ bis D₆ befinden sich mehrere Widerstände R₁ bis R₆ von je 10 kOhm. Diese Widerstände, die im allge meinen nicht in dem Gehäuse des Wärmestrahlungs-Abbildungs geräts untergebracht sind, sind an Punkte konstanten Poten tialunterschieds zum Potential der entsprechenden Dioden-Zone angeschlossen. Alternativ kann der Anschluß so erfolgen, daß an jedem pn-Übergang im Halbleiterkörper 3 eine Sperr spannung von ca. 50 mV anliegt. Das Ausgangssignal der ein zelnen Ausleseelektroden wird einer Verstärkerstufe zuge führt, z. B. einem Feldeffekttransistor, der Bestandteil einer Auslesevorrichtung ist; die Ausgangssignale sind in Fig. 3 mit A₁ bis A₆ bezeichnet. Diese Ausgangssignale können an ein Zeitverzögerungs- und Integrationsgerät angelegt werden, das beispielsweise in Form ladungsgekoppelter Schaltungen ausgeführt ist. Eine vollständige Beschreibung der Verwen dung eines ladungsgekoppelten Zeitverzögerungs- und Integra tionsgeräts in Verbindung mit dem seriellen Auslesen aus einer seriellen Anordnung von IR-Detektorelementen findet sich in der Rezension von A. F. Milton in "Topics" in 'Applied Physics', Bd. 19 (Optical and Infra-Red Detectors, Hrsg. R. J. Keyes), S. 197-228, Springer-Verlag, 1977.

Der n-Typ-Halbleiterkörper 3 ist über die Vorspannelektroden 6 und 7 mit einer Gleichstrom-Verspannungsstromquelle 21 und einem Stellwiderstand 22 in Reihe geschaltet, so daß ein vorwiegend aus Majoritätsladungsträgern, in diesem Falle Elektronen, bestehender Vorspannungsstrom in dem Halbleiter körper in Längsrichtung von der Elektrode 7 zur Elektrode 6 hervorgerufen werden kann, wobei der genannte Vorspannungs strom in der Lage ist, eine ambipolare Drift von durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern, in diesem Falle Löcher, in entgegengesetzter Richtung zu unterstützen. Ein geeigneter Bereich der Vorspannung zwischen den Elek troden 6 und 7 liegt zwischen 5 und 15 Volt. Bei einem Spannungsgefälle von 15 V pro cm in dem n-Typ-Material der genannten Zusammensetzung beträgt die ambipolare Mobilität etwa 400 cm² V^-1 sec^-1.

Der Betrieb einer monolithischen linearen Mehrfachanordnung kann der Beschreibung in der genannten britischen Patent schrift entsprechen, insoweit als die Abtastung des Strah lungsbildes und die Fokussierung eines Bildes eines wichtigen Teils des Strahlungsbildes auf dem Halbleiterkörper 3 be troffen sind. In Fig. 3 ist in rein schematischer Form das Vorhandensein von Mitteln zur Abtastung eines derartigen Wärmestrahlungsbildes entlang der Oberfläche des Halbleiter körpers 3 in Richtung der ambipolaren Drift und mit einer Ge schwindigkeit, die im wesentlichen der Geschwindigkeit der ambipolaren Drift entspricht, gezeigt. Diese Mittel bestehen aus einem Paar schwenkbarer Spiegel und einem Linsensystem. Im Betrieb werden Bildpunkte, die sich über eine Fläche von etwa 50 µm × 50 µm in der Bildebene ausdehnen, mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 5000 cm sec^-1 bis 20 000 cm sec^-1 entlang der Oberfläche des fadenförmigen Halbleiterkörpers 3 bewegt.

So wie das Bild über die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Geschwindigkeit entsprechend der ambipolaren Drift abgetastet wird, erfolgt die Integration der lichtelektrisch erzeugten Minoritätsladungsträger in jeder der n-Typ-Zonen des Halbleiterkörpers zwischen den p-Typ-Zonen 8 bis 13. Bei einem Feld von 50 V/cm liegt diese Driftgeschwindigkeit bei 20 000 cm sec^-1. Aufgrund des Abstands zwischen den p-Typ- Zonen von 0,5 mm und einer effektiven Länge L _eff von 0,4 mm, auf der die gesamte Integration der freien Löcher ohne Re kombination erfolgen kann, was einer Lebensdauer der La dungsträger von 2 Mikrosekunden entspricht, gibt es bei jedem Durchgang des Bildes über die gesamte Strecke zwischen den Vorspannelektroden 6 und 7 sechs getrennte Integrationsstu fen, die jede eine Länge in der Größenordnung der Länge L _eff aufweist, während es bei den bisher üblichen Geräten nur eine einzige Integrationsstufe mit einer Länge von L _eff gab. Hierdurch lassen sich erhebliche Verbesserungen in bezug auf den Störabstand erzielen.

In den obengenannten Figuren führt die intern gebildete Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung zu einer Erhöhung des Störabstands um das 2,8fache für jede Gruppe Auslese elektroden. Die weitere Verbesserung des Störabstands um das 2,4fache aufgrund der externen Zeitverzögerungs- und Inte grationsschaltung bei Signalen von den sechs Auslese-Dioden führt zu einer Gesamt-Verbesserung des Störabstands um etwa das 7fache gegenüber herkömmlichen photoleitenden Elementen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 soll nachstehend eine wei tere Ausführungsform eines Wärmestrahlungs-Abbildungsgeräts sowie unter Bezugnahme auf Fig. 5 die Verwendung des Geräts in einem Wärmestrahlungs-Abbildungssystem beschrieben werden.

Das in Fig. 4 gezeigte Gerät besteht aus einem Saphir-Schicht träger 31 mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Hauptober fläche 32 von 0,5 cm × 0,5 cm. Auf der Fläche 32 ist ein Halbleiterkörper 33 mit den Abmessungen 1,5 mm × 1,6 mm × 10 µm Dicke angebracht. Der Halbleiterkörper 33, der auf der Schichtträger-Oberfläche 32 mittels einer Schicht Epoxid-Klebers von etwa 0,5 µm Dicke befestigt ist, weist die gleiche Grundzusammensetzung wie der Halbleiterkörper 3 der zuvor beschriebenen Ausführungsform auf, d. h. er be steht aus Quecksilbercadmiumtellurid Hg_0,79Cd_0,21Te.

Auf der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 33 befindet sich eine Passivierungsschicht 34 mit einer Dicke von ca. 0,1 µm, die hauptsächlich aus Quecksilber-, Cadmium- und Tellur-Oxiden besteht. An den entgegengesetzten Enden der Oberfläche des Halbleiterkörpers 33 befinden sich Vor spannelektroden 35 und 36, die aus aufgedampften Gold schichten von etwa 1 µm Dicke bestehen und jeweils mit der Halbleiterkörper-Oberfläche einen ohmschen Kontakt bilden. Die Elektroden 35 und 36 haben je eine Breite von 100 µm.

Angrenzend an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 33 in der Nähe der Vorspannelektrode 36 befinden sich zweiund dreißig Zonen 37 mit p-Typ-Eigenschaften, die durch ört liche Umwandlung der an die Oberfläche angrenzenden Teile des n-Typ-Körpers zu Material mit p-Typ-Eigenschaften ge bildet wurden. Die Grenzen der Zonen 37 sind in Fig. 5 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Jede Zone 37 hat eine Fläche von ca. 50 µm × 50 µm. Die Zonen 37 sind in zwei parallelen Reihen im rechten Winkel zur Richtung, in der eine ambipolare Drift zwischen den Vorspannelektroden 35 und 36 erzeugt werden kann, angeordnet. Die Zonen 37 in den beiden Reihen sind versetzt angeordnet, so daß die Abstände zwischen angrenzenden Zonen in der gleichen Reihe sowie zwischen angrenzenden Zonen in unterschiedlichen Reihen je weils 100 µm betragen. Die pn-Übergänge zwischen den p-Typ- Zonen 37 und dem n-Typ-Halbleiterkörper 3 reichen in den Halbleiterkörper etwa 2 µm tief hinein. Über den p-Typ-Zonen befindet sich jeweils eine Öffnung in der Passivierungs schicht, die mittig im Oberflächen-Bereich der p-Typ-Zonen angeordnet sind und eine Größe von 40 µm × 40 µm aufweisen. Jede dieser Öffnungen enthält einen Metallschichtkontakt 38 aus Gold mit einer Dicke von 0,5 µm. Die Kontakte 38 bilden zusammen mit den zugehörigen p-Typ-Oberflächenzonen 37 eine Gruppe von zweiunddreißig Ausleseelektroden, die in zwei parallelen Reihen angeordnet sind. Der Längsabstand zwischen der Kante der Vorspannelektrode 36 und den Kanten der Metall schichten 38 der Ausleseelektroden in der angrenzenden Reihe beträgt 50 µm.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung sind die elektrischen Verbindungen zu den Vorspannelektroden-Schichten 35 und 36 sowie die elektrischen Verbindungen zu den Auslese elektroden-Metallschichtkontakten 38 in Fig. 4 nicht gezeigt. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform können diese Verbindungen durch Golddrähte gebildet werden, die auf die Oberflächen der Elektrodenschichten aufgelötet werden. Der weitere Aufbau des Geräts erfolgt in ähnlicher Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Bei dem vorliegenden Beispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, sind die Metallschicht-Ausleseelektroden 38 in Reihe mit den gleich richtenden Sperrschichten zwischen den p-Typ-Zonen 37 und dem n-Typ-Halbleiterkörper 33 direkt an Teile eines Dar stellungsmittels angeschlossen. Dieses Darstellungsmittel besteht aus einer monolithischen Anordnung von zweiunddreißig Leuchtdioden auf einem Halbleiterkörper 41. In Fig. 5 sind die Leuchtdioden-Übergänge 42 durch gestrichelte Linien und die zugehörigen Elektroden-Schichtkontakte 43 durch ununter brochene Linien gezeigt. Die zweiunddreißig Dioden-Übergänge sind in zwei parallelen Reihen entsprechend der Anordnung der Ausleseelektroden 38 des Abbildungsgeräts angeordnet, an das sie einzeln angeschlossen sind. Im allgemeinen befindet sich der Halbleiterkörper 41 nicht in dem Gehäuse des Wärme strahlungs-Abbildungsgeräts.

Das in Fig. 4 gezeigte Gerät kann für die Parallel-Abtastung verwendet werden. Durch die versetzte Anordnung der Auslese elektroden in zwei Reihen können Bildinformationen in zwei unddreißig Zeilen ohne Zwischenräume zwischen den Zeilen auf genommen werden. Die Vorspannung zwischen den Elektroden 35 und 36 kann im Bereich von 2 bis 10 Volt liegen, was zu Feldern von 13 bis 65 V cm^-1 führt. Die sich ergebenden Ge schwindigkeiten der ambipolaren Drift liegen in der Größen ordnung von 4000 cm sec^-1 und 40 000 cm sec^-1.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten System werden die Bildinforma tionen in Form elektrischer Signale, die aus dem Abfluß der integrierten Minoritätsladungsträger in der ambipolaren Drift an den pn-Übergängen in Verbindung mit den Ausleseelektroden 37, 38 erhalten werden, direkt über die Ausleseelektroden an die dementsprechend angeordneten und angeschlossenen Leucht dioden 41, 42 weitergeleitet. Das System umfaßt weiterhin optische Mittel, die eine eindeutige Abbildung erbringen, wobei das Bild zur Erzeugung der Ausgangssignale der Leucht dioden in Form einer bildlichen Darstellung abgetastet wird. Die Abbildung kann bequem durch Betrachtung der Leuchtdioden in dem gleichen Spiegel erzeugt werden, der auch für die Er stellung der Bildabtastung verwendet wird. Herkömmlicher weise wird dies durch Versilbern der Rückseite des Abtast spiegels erzielt, um die Leuchtdioden beobachten zu können.

Als Alternative zur Verwendung direkt angeschlossener Leucht dioden können andere Anzeigemittel an die Metallschicht elektroden 38 angeschlossen werden, beispielsweise die Mehr facheingänge von ladungsgekoppelten Schaltungen.

Es wird anerkannt, daß eine Vielzahl von Änderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind, z. B. kann als Alternative zu der gleichrichtenden Sperrschicht in der Gesamtheit des n-Typ-Halbleiterkörpers eine solche gleich richtende Sperrschicht an der Oberfläche des n-Typ-Halbleiter körpers gebildet werden. Eine Möglichkeit zur Erzielung eines solchen Aufbaus besteht in der Aufbringung von p-Typ-Material auf den n-Typ-Halbleiterkörper. In einer weiteren Ausführungs form können die gleichrichtenden Sperrschichten als Schottky- Übergänge an der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch Metallschicht-Elemente gebildet werden, die in geeigneter Weise arbeiten.

Bei dem n-Typ-Halbleiterkörper aus Quecksilbercadmium tellurid kann eine andere Zusammensetzung gewählt werden, z. B. wenn das Gerät zur Abbildung von Strahlung im Wellenlängen bereich von 3 bis 5 µm gedacht ist. Bei Herstellung eines solchen Geräts in Mehrfach-Linearanordnung gemäß Fig. 1 bis 3 kann der Abstand zwischen den p-Typ-Zonen erheblich geringer als die Länge L _eff sein, um die Auswirkungen der Diffusionsausbreitung und dem daraus resultierenden Ver schwimmen der erzielten Bildsignale zu verringern.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen werden die n-Typ- Halbleiterkörper als diskrete Bauelemente ausgeführt, die an einem Isolier-Schichtträger befestigt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das n-Typ-Halbleiterkörper material durch epitaxiale Aufbringung einer n-Typ-Schicht ge bildet, z. B. durch Aufdampfen auf einen inneren Schichtträger oder einen Schichtträger aus Cadmiumtellurid.

Zur Gewinnung von Bildinformationssignalen von den Auslese elektroden in Verbindung mit den gleichrichtenden Sperr schichten von Mehrfach-Lineargeräten können auch andere Mittel eingesetzt werden. Ein solches Mittel stellt z. B. die Anzapf-Verzögerungsleitung dar, die auf S. 216 der vor stehend erwähnten Rezension von A. F. Milton beschrieben wird.

Zur Vermeidung unerwünschter, injizierter Minoritätsladungs träger aus dem ambipolaren Driftweg im Bereich der Haupt- Vorspannelektrode, die die Anode bildet, kann eine zusätz liche gleichrichtende Sperrschicht in der Nähe der genann ten Vorspannelektrode vorgesehen werden, um einen Abzug der artiger Minoritätsladungsträger zu ermöglichen und dadurch eine wirksame Isolierung der ersten Stufe des ambipolaren Driftwegs von der genannten Vorspannelektrode zu bieten.

Claims

1. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, in dem durch Absorption von Strahlung eines bestimmten Wellenlängen bereiches freie Ladungsträger erzeugt werden, sowie voneinan der getrennt angeordneten Vorspannelektroden auf dem Halblei terkörper, über die ein vorwiegend aus Majoritätsladungsträ gern bestehender Vorspannungsstrom in dem Halbleiterkörper in einer bevorzugten Richtung und parallel zu einer Haupt-Ober fläche des Halbleiterkörpers erzeugt wird und dieser Vorspan nungsstrom eine ambipolare Drift von durch Strahlung erzeug ten freien Minoritätsladungsträgern in der entgegengesetzten Richtung unterstützt, wobei ein Strahlungsbild über die Haupt- Oberfläche des Halbleiterkörpers in der gleichen Richtung wie die ambipolare Drift und mit einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen der Geschwindigkeit der ambipolaren Drift ent spricht, abgetastet wird, gekennzeichnet durch mehrere Aus leseelektroden, die jeweils mit dem Halbleiterkörpermaterial des gegebenen Leitfähigkeitstyps eine gleichrichtende Sperr schicht bilden, und die in dem Weg der ambipolaren Drift zwi schen den Vorspannelektroden angeordnet sind.

2. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektroden jeweils eine an die Oberfläche angrenzende Zone mit entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweisen, wodurch die im Betrieb durch die Strahlung erzeugten freien Ladungsträger in dem Weg der ambi polaren Drift in der näheren Umgebung der an die Oberfläche angrenzenden Zone über die gleichrichtende Sperrschicht extra hiert werden, die zwischen der an die Oberfläche angrenzenden Zone und dem Halbleiterkörpermaterial des genannten Leifähig keitstyps gebildet wird.

3. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Ausleseelek troden in regelmäßigen Abständen entlang einer Linie in der Richtung der ambipolaren Drift zwischen den Vorspannelektro den angeordnet ist.

4. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand in Richtung der ambi polaren Drift zwischen aufeinanderfolgenden Ausleseelektro den maximal das Dreifache der mittleren Entfernung beträgt, die von den durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsla dungsträgern im Laufe ihrer Lebensdauer in dem Halbleiter material zurückgelegt werden kann.

5. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand kleiner als die mitt lere Entfernung ist, die von den durch Strahlung erzeugten freien Minoritätsladungsträgern im Laufe ihrer Lebensdauer in dem Halbleitermaterial zurückgelegt werden kann.

6. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektroden bezüg lich der Oberfläche zwischen den Vorspannelektroden, über die die ambipolare Drift erzeugt wird, im rechten Winkel zur Richtung der ambipolaren Drift angeordnet sind.

7. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektroden in minde stens einer Linie im rechten Winkel zur Richtung der ambi polaren Drift angeordnet sind.

8. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektroden bezüg lich der Oberfläche zwischen den Vorspannelektroden, über die die ambipolare Drift erzeugt wird, sowohl parallel wie auch im rechten Winkel zur Richtung der ambipolaren Drift angeord net sind.

9. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektroden bezüglich der Oberfläche zwischen den Vorspannelektroden, über die die ambipolare Drift erzeugt wird, in einer regelmäßigen Anord nung angebracht sind.

10. Wärmestrahlungs-Abbildungsgerät nach einem der An sprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auslese elektroden eine Darstellungsanordnung angeschlossen ist, die aus einer Vielzahl von Darstellungselementen besteht, die einzeln entsprechend den Ausgangssignalen mit Energie beauf schlagt werden, die über die Ausleseelektroden des Abbildungs gerätes gewonnen werden, und entsprechend der Anordnung der Ausleseelektroden angeordnet sind.