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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterelement gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges Halbleiterelement für den speziellen Anwendungsfall
~Halbleiterdetektor" ist aus der Veröffentlichung 33523 des Brookhaven National
Laboratory, August 1983 bebekannt. Bei diesem bekannten Detektor, der auch als Halbleiterdriftkammer
bezeichnet wird, läßt sich die Position der einfallenden Teilchen über die Driftzeit
der Majoritätsträger, beispielsweise der Elektronen bei einem n-dotierten Halbleiterkörper,
in einem elektrischen Transversalfeld bestimmen. Darüberhinaus sind in dieser Veröffentlichung
verschiedene Modifikationen des Halbleiterdetektors beschrieben; gemäß einer Modifikation
läßt sich der Halbleiterdetektor beispielsweise als CCD-Element für die Majoritätsträger
verwenden.
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Bei dem bekannten Halbleiterdetektor wird der Halbleiterkörper durch
von beiden Hauptoberflächen angelegte Vorspannung vollständig verarmt, so daß sich
im Inneren des Körpers ein Potentialminimum für die Majoritätsträger befindet, in
dem die Majoritätsträger gesammelt und bewegt werden. Den Minoritätsträgern andererseits
wird keine Beachtung geschenkt.
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Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß die Existenz des Potentialminimums
für die Majoritätsträger, das gleichzeitig ein Potentialmaximum für die Minoritätsträger
darstellt, eine gezielte Beeinflußung der Menge, der Bewegungsrichtung und/oder
der Geschwindigkeit der Minoritätsträger erlaubt; hierdurch ergeben sich für erfindungsgemäße
Halbleiterelemente gemäß den Ansprüchen 1 bis 28 eine Reihe von zusätzlichen Anwendungsmöglichkeiten.
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Durch den Verlauf jedes der Potentialmaxima für die Minoritätsträger
wird das Grundgebiet in mehrere für die Minoritätsträger unabhängige Teile auf beiden
Seiten der Potentialmaxima geteilt. Dies ermöglicht beispielsweise mit einem vergleichsweise
dicken Halbleiterkörper und einem dicht unter einer Hauptoberfläche, in der sich
weitere Gebiete befinden, die elektronische Elemente bilden, liegenden Potentialmaximum
eine Epitaxieschicht zu simulieren, d.h. man erreicht mit einem vergleichsweise
dicken Grundkörper die Vorteile beispielsweise hinsichtlich Grenzfrequenz, Sperrströme
etc. einer Epitaxieschicht (Anspruch 26).
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Natürlich ist es durch eine spezielle geometrische Gestaltung auch
möglich, in einem Grundgebiet mehrere Potentialmaxima beispielsweise mittels eines
Sandwich-Aufbaus zu erzeugen, bei dem sich p- und n-dotierte Gebiete abwechseln.
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Ferner ist es auch möglich, eine Zylindergeometrie zu verwenden, bei
der das Potentialmaximum in der Zylinderachse verläuft.
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Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Halbleiterelemeint als
Detektor für Teilchen und/oder Strahlung, wie #Strahlung und Röntgenstrahlung,aber
auch für Strahlung mit Wellenlängen vom UV bis Infrarot verwendet wird, ist es von
Vorteil, daß durch die Aufteilung des Halbleiterkörpers in mindestens zwei für die
Minoritätsträger unabhängige Teile an jeder Hauptoberfläche ein Minoritätsträgersignal
erzeugt wird, das von in unterschiedli#chen Teilen des Halbleiterkörpers gebildeten
Minoritätsträgern abgegeben wird, und das in unterschiedlicher Weise weiterverarbeitet
werden kann.
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Beispielsweise kann das an einer Hauptoberfläche des ~Halbleiterkörpers
anstehende Minoritätsträgersignal als Triggersignals für das von den Majorität#strägern
an der
Sammelelektrode hervorgerufene Signal dienen. Ferner können
die Minoritätsträgersignale auch zur Positions- und/oder zur Energie-und Reichweitenbestimmung
der einfallenden Strahlung verwendet werden. Dabei ist es möglich, das Minoritätsträgersignal
"schnell" auszulesen oder den erfindungsgemäßen Halbleiterdetektor als CCD-Element
für die Minoritätsträgersignale zu verwenden.
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Die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit der Minoritätsträger
kann darüberhinaus erfindungsgemäß auch durch den Verlauf des Potentials unter den
Hauptoberflächen beeinflußt werden (Anspruch 3). Der Verlauf des Potentials wiederum
kann beispielsweise durch die Dotierung (Anspruch 7), die Elektrodengestaltung etc.
beeinflußt werden.
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Verschiedene Möglichkeiten der Elektrodengestaltung auf den beiden
Hauptoberflächen sind in den Ansprüchen 4 folgende gekennzeichnet. Dabei können
Elektrodenanordnungen gemäß einem der Ansprüche auf beiden oder nur auf einer der
Hauptoberflächen vorgesehen werden.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die Minoritätsträgersignale aus nur
einem der durch Potentialmaxima getrennten Gebiete (Anspruch 4), aus mehreren oder
aus allen voneinander getrennten Gebieten auszulesen (Anspruch 5).
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Ferner ist es möglich, zusätzlich auch das Majoritätsträgersignal
auszuwerten, das von den im gesamten Köper gebildeten und im Potentialminimum gesammelten
Majoritätsträgern erzeugt wird. Hierzu ist mindestens eine Sammelelektrode für die
Majoritätsträger vorzusehen (Anspruch 6).
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Besonders vorteilhaft ist die Elektrodengestaltung gemäß Anspruch
8. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene RIS-Struktur, d.h. eine Struktur, bei der
auf mindestens einer
Hauptoberfläche eine Isolationsschicht vorgesehen
ist, auf der sich eine leitende Schicht, beispielsweise eine Widerstandsschicht
oder eine niederohmige Schicht befindet, wird nicht nur ein Abfließen der Minoritätsträger
in die Bereiche der Hauptoberflächen verhindert, sondern es ist auch möglich, beispielsweise
ein gegen die Hauptoberflächen "verkipptes" Potential zu erzeugen. Eine derartige
RIS-Struktur kann im Grenzfall, wenn die oberste Schicht niederohmig ist, beispielsweise
eine MOS-Struktur sein.
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Darüberhinaus ermöglicht diese Elektrodenausbildung die Realisierung
eines kontinuierlichen CCD-Elements, bei dem das Verschieben der zu der Hauptoberfläche
geflossenen Minoritätsträger kontinuierlich erfolgt. Ein derartiges CCD-Element
hat den Vorteil, daß die einzelnen Zellen nicht gelöscht werden müssen.
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Ferner kann die Elektrodenanordnung nach Anspruch 11 auch eine an
sich bekannte Sperrschicht sein, die beispielsweise von pn-Übergängen, Schottky-Übergängen
oder heterogenen Strukturen gebildet wird.
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Bei einer weieren Fortbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 wird
mindestens eine der als Elektrodenan##>dnung verwendeten Sperrschichten großflächig
und niederohmig ausgebildet. Hierdurch erhält man zum einem ein schnelles Triggersignal,
zum anderen wird durch das großflächig ausgeführte Gebiet die Fotolitographie bei
der Herstellung vereinfacht.
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Gemäß Anspruch 13 bilden bevorzugter Weise pn-Übergänge die Sperrschicht.
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Die Anordnungen gemäß Anspruch 14 und 15 haben beispielsweise den
Vorteil, daß durch geeignete an die Elektrodenanordnungen angelegte Vorspannungen
ein definierter
transversaler Potentialgradient erzeugt werden
kann. Ferner kann beispielsweise an einem Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps
eine zweite Spannung angelegt werden, die die Durchbruchspannung des pn-Übergangs
um ein Vielfaches übersteigt. Hierdurch stellt sich an den benachbarten Gebieten
eine Spannung ein, die von einem Gebiet zum Nächsten um jeweils die Durchbruchspannung
abnimmt. Auf diese Weise ist es - wie in der älteren Patentanmeldung P 34 O9 163.7
beschrieben - möglich, mit geringem äußeren Schaltungsaufwand ein genau definiertes
transversales elektrisches Feld im Halbleiterkörper einzustellen.
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Die streifen- oder matrixförmigen Gebiete gemäß Anspruch 15 erlauben
eine Ortsauflösung. Ferner ist es beispielsweise bei streifenförmigen Gebieten möglich,
diese durch implantierte "Querstreifen" zu verbinden und so einen integr#ierten
Spannungsteiler aufzubauen.
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Der zum Aufbau eines transversalen Feldes erforderliche äußere Schaltungsaufwand
kann auch dadurch vereinfacht werden, daß z.B. ein Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf mindestens einer der beiden Hauptoberflächen ein großflächiges hochohmiges Gebiet
ist (Anspruch 11); der in diesem Gebiet auftretende Spannungsabfall in Transversalrichtung
erzeugt das gewünschte transversale elektrische Feld. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß der Justieraufwand bei der Herstellung beträchtlich geringer ist als bei einer
Anordnung, bei der sich auf beiden Hauptoberfächen eine Vielzahl von voneinander
getrennten Gebieten befindet.
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Der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor hat insbesondere dann, wenn
er als CCD-Halbleiterdetektor für die Majoritätsträger betrieben wird, eine Reihe
von Vorteilen:
Beispielsweise kann das Minoritätsträgersignal ohne
Verzögerung ausgelesen werden, so daß zusätzlich zu dem CCD-Signal der Majoritätsträger
ein schnelles Signal zur Verfügung steht, das z.B. als Triggersignal verwendet werden
kann.
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Eine streifen- oder matrixförmige Ausbildung der Elektroden auf der
anderen Hauptoberfläche gestattet darüberhinaus eine Ortsauflösung des von den Minoritätsträgern
erzeugten Signals in Richtung der Hauptoberfläche.
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Hierdurch wird eine Zuordnung der langsam auslesbaren CCD-Signale
zu den schnellen Minoritätsträger-Signalen möglich, die beispielsweise partielles
Lesen, d.h. das Überspringen "leerer" CCD-Zellen erlaubt, so daß die Auslesegeschwindigkeit
drastisch erhöht werden kann. Ferner können beispielsweise Signale von "unerwünschten"
Ereignissen während der Auslesezeit ausgeschieden werden.
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In jedem Falle hat das erfindungsgemäße CCD-Halbleiterbauelement die
Vorteile, daß das voll depletierte Volumen große Signale für durchlaufende Teilchen
bzw. Strahlung ergibt, und daß die Signale dennoch nahe der Oberfläche gespeichert
werden.
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Die streifen- oder matrixförmige Struktur auf der einen der beiden
Hauptoberflächen kann eine RIS-Struktur, insbesondere eine MOS-Struktur, oder eine
"Bipolar"-Struktur sein, d.h. sie kann aus pn-Übergängen bestehen. Natürlich können
auch Schottky-Übergänge, heterogene Übergänge etc. verwendet werden.
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Die Verwendung einer RIS-Struktur oder MOS-Struktur hat den Vorteil,
das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als CCD-Element sowohl für die Majoritätsträger
als auch für die Minoritätsträger betreiben zu können. Man erhält dadurch zwei
~Ladungsbilder".
Dabei wird das "Ladungsbild" der Majoritätsträger durch im gesamten Halbleiterkörper
erzeugte Majoritätsträger hervorgerufen, während das "Ladungsbild" der Minoritätsträger
nur von den Minoritätsträgern erzeugt wird, die durch die einfallende Strahlung
zwischen der Hauptoberfläche mit RIS-Struktur und dem Potentialminimum für die Majoritätsträger
gebildet werden. Damit erlaubt ein Vergleich der beiden "Ladungsbilder" beispielsweise
eine Diskriminierung unterschiedlicher Eindringtiefen. Verwendet man das erfindungsgemäße
CCD-Element beispielsweise als Detektor für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung
und fällt die Strahlung durch die Hauptoberfläche ein, auf der sich die RIS-Struktur
befindet, so gibt das Ladungsbild der Majoritätsträger das vom sichtbaren Licht
und vom Infrarotlicht erzeugte Bild wieder, während das Ladungsbild der Minoritätsträger
im wesentlichen das vom sichtbaren Licht erzeugte Bild wiedergibt.
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Das Aufbringen einer Minoritätsträger-CCD-Struktur auf der anderen
Hauptoberfläche erlaubt es darüberhinaus, ein drittes Ladungsbild auszulesen, wobei
das gewonnene Minoritätsträgerbild ein Infrarotbild liefert.
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Durch die Ausbildung gemäß den Ansprüchen 18 und 19 erhält man beispielsweise
bevorzugte Schieberichtungen bei CCD- Elementen.
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Ferner ist es möglich, MIS- und Bipolarstrukturen alternierend und
in Richtung der Normalen der Hauptoberfläche versetzt anzuordnen; hierdurch können
die CCD-Zellen sehr dicht gepackt werden. Diese Anordnung ist darüberhinaus technologisch
sehr einfach herzustellen (Anspruch 21). Das erfinddungsgemäße Halbleiterelement
erlaubt es darüberhinaus in sehr einfacher Weise, elektronische Strukturen mit in
den Halbleiterkörper zu integrieren.
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Mögliche Verwendungen der erfindungsgemäßen Halbleiterelemente sind
in den Ansprüchen 29 ff gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3a und b einen Querschnitt durch
ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 einen Querschnitt durch ein
erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung als "kombinierter Halbleiterdetektor",
Fig. 5a und b einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
bei Verwendung als kombinierter Halbleiterdetektor, Fig. 6 einen Querschnitt durch
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung als CCD-Element, Fig.
7 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung
als CCD-Element, Fig. 8 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
bei Verwendung als Majortätsträger-CCD-Element, Fig. 9 einen Querschnitt durch ein
erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung als kontinuierliches CCD-Element,
Fig.lO einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel bei Verwendung als
kontinuierliches CCD-Element,
Fig. 11 einen Querschnitt durch eine
erfindungsgemäß ausgebildete Single-Photon-Avalanche-Diode, Fig. 12 einen Querschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements
mit integrierten elektronischen Strukturen, und Fig. 13a bis 13c einen Querschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit integrierten elektronischen Strukturen.
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Mit den im folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen soll exemplarisch
für den Anwendungsfall "Halbleiterdetektor" gezeigt werden, daß durch die Kombination
verschiedener Elektrodenstrukturen aufbauend auf ein- und demselben Grundgedanken
die verschiedensten Halbleiterelemente für unterschiedliche Zwecke realisiert werden
können.
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In den im folgenden erläuterten Figuren ist mit k jeweils ein Halbleiterkörper
bezeichnet, der zwei Hauptoberflächen 1 und 2 aufweist, und der bei den vorgestellten
Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus hochohmigen homogen
n-dotiertem Silizium besteht. Die in den Hauptoberflächen vorgesehenen Gebiete eines
zweiten Leitfähigkeitstyps sind p-Gebiete und werden mit pl, p2,... usw.
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bezeichnet.
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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Halbleiterdetektor.
Auf der Hauptoberfläche 1 befindet sich eine Vielzahl von p-Gebieten p1... p10,...
und auf der Hauptoberfläche 2 eine Vielzahl von p-Gebieten p1.. pos2,...
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Ferner befinden sich auf der Hauptoberfläche 1 ein n+-Gebiet 4 und
auf der Hauptoberfläche 2 eine p-dotierte Gegenelektrode 5, an der eine Spannung
-U6 anliegt, und die den Potentialverlauf ~glättet".
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An Elektroden auf den p-Gebieten p1, p10, p'1, p'10 sind
Spannungen
-U1, -U2, -U3 bzw. -U4 angelegt. Die Größe der Spannungen ist so gewählt, daß einerseits
ein transversales elektrisches Feld aufgebaut wird, und andererseits der Halbleiterkörper
vollständig an Majoritätsträgern, d.h.
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Elektronen verarmt ist. Dabei besteht folgende Beziehung: ßU11 >
lU2l, I U3 > I U4 I (*) Die Elektronen werden dann in einem Potentialminimum,
das durch eine Linie PM dargestellt ist, in der Mitte des Halbleiterkörpers gesammelt.
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Bei dem gezeigtem Ausführungsbeispiel ist U1 = U3 und U2 = U4 (=0V),
so daß sich das Potentialminimum in der Mitte des Halbleiterkörpers befindet.
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Ein einfallendes ionisierendes Teilchen T1 erzeugt im Halbleiterkörper
Elektronen/Loch-Paare, die schematisch durch + und - Symbole dargestellt sind. Die
Elektronen driften entlang des Potentialsminimums PM zu dem n+-Gebiet 4, an dem
eine Spannung +U5 anliegt, und das als Anode wirkt. Die Minoritätsträger d.h. die
Löcher laufen zu dem p-Kontakten, an denen sie zur Auslösung eines Triggersignals
für die Elektronenlaufzeit benutzt werden können.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Halbleiterdetektor besteht jedoch
die Einschränkung, daß an den Elektroden, die auf den p+-Gebieten aufgebracht sind,
anfänglich ein dem von den Löchern erzeugten Signal entgegengesetztes Signal von
Elektronen influenziert wird, das das von den Löchern erzeugte Signal sogar kompensieren
kann; ein Triggersignal kann trotzdem z.B.-durch Bewertung der Signalform abgegriffen
werden.
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Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Halbleiterdetektors. Der Halbleiterdetektor
weist ebenfalls einen
Halbleiterkörper k aus n-Silizium mit zwei Hauptflächen 1 bzw. 2 auf. Auf den beiden
Hauptoberflächen sind jedoch keine voneinander getrennten streifen-oder ringförmigen
p+-Gebiete aufgebracht, die jeweils voneinander beabstandet sind. Vielmehr befindet
sich auf jeder Hauptoberfläche jeweils ein großflächiges p-Gebiet pl bzw.
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p2, das vergleichsweise hochohmig nach einem an sich bekannten Implantationsverfahren
hergestellt ist, und das damit als Widerstandsschicht dienen kann. An einander gegenüberliegenden
Stellen der Gebiete pl bzw. p2 sind Elektroden Ei, E2 bzw. E3, E4 angebracht, an
denen Spannungen -U1, -U2, -U3 bzw. -U4 anliegen, die die Beziehung (*) erfüllen.
An einem n+-Gebiet n+ in der Hauptoberfläche 1 liegt eine Spannung U5 an.
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Der Halbleiterdetektor gemäß Fig.2 hat nicht nur den Vorteil, daß
die vergleichsweise komplizierten Elektrodenstrukturen auf den beiden Hauptoberflächen
durch großflächige Gebiete ersetzt sind, und damit die Justierung bei der Herstellung
vereinfacht wird, sondern auch den Vorteil, daß der Ort der die Erzeugung von Elektronen/LochPaaren
auslösenden Strahlung außer aus der Elektronendriftzeit auch aus dem Verhältnis
der von den Löchern an den Elektroden El und E2 bzw. E3 und E4 erzeugten Signale
grob bestimmt werden kann.
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Damit ist es möglich, die Zählrate des Detektors zu erhöhen, da bei
zwei kurz aufeinanderfolgenden an unterschiedlichen Orten auftreffenden Teilchen
eine Zuordnung der Triggersignale möglich ist.
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Ferner ist es möglich, an den Gebieten pl bzw. p2 mehr als zwei Elektroden
anzubringen; hierdurch kann eine zweidimensionale Ortsmessung erreicht werden.
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Darüberhinaus kann sowohl bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
als auch bei dem in Figur 2 darge-
stellten Ausführungsbeispiel
aus den von den Löchern hervorgerufenen Signalen auch die Energie der einfallenden
Teilchen (entspricht der Menge der erzeugten Ladungen) bestimmt werden.
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Fig. 3a und 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Halbleiterdetektors. Im Gegensatz zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur auf der einen Hauptoberfläche 2 des Halbleiterkörpers
k Maßnahmen getroffen, um einen Potentialgradienten zu erzeugen. Auf der Hauptoberfläche
1 des Halbleiterkörpers k befindet sich ein großflächiges p-Gebiet pl, auf dem eine
elektrisch gut leitende Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder aus ITO (Indium-Zinnoxid)
bei optischen Detektoren als Elektrode aufgebracht ist, während sich auf der anderen
Hauptoberfläche 2 des Halbleiterkörpers eine Struktur befindet, die ein transversales
elektrisches Feld erzeugt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Struktur
wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführ.ungsbeispiel ein p-Gebiet mit einem
definierten Flächenwiderstand.
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Ferner befindet sich in der Hauptoberfläche 2 ein n+-Gebiet 5, auf
dem eine Elektrode E4 aufgebracht ist. Wenn an den Elektroden El, E2, E3 und E4
die Spannungen -U1, -U2, -U3 = O und +U4 angelegt werden, ergibt sich das in Fig.
3 dargestellte Potentialminimum PM, das von der Hauptoberfläche 1 zu dem n+-Gebiet
hin verläuft. Durch dieses Potentialminimum PM wird der Halbleiterkörper k in zwei
für die Minoritätsträger (Löcher) unabhängige keilförmige Gebiete unterteilt. Der
Einfallsort und die abgegebene Energie eines Teilchens, das längs seiner Bahn eine
konstante Elektronen/Löcher-Dichte erzeugt und den Detektor durchquert, können auf
verschiedene Weisen bestimmt werden. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht,
daß der Anteil der Minoritätsträger, der jeweils zur oberen bzw. zur unteren
Elektrode
wandert, von der Lage des Potentialminimums abhängt. Ein den in Fig. 3a dargestellten
Detektor durchfliegendes Teilchen T1 erzeugt im oberen Teil wenig Löcher, im unteren
Teil jedoch viele, während für ein Teilchen T2 das Gegenteil der Fall ist.
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Es ist damit prinzipiell möglich, aus dem Signalverhältnis der Löcher
in beiden Halbleiterteilen die Position des Teilchens zu bestimmen. Erschwert wird
die Ortsbestimmung allerdings dadurch, daß in der Anfangsphase der Ladungswanderung
die von den Löchern hervorgerufenen Signale durch Influenzsignale der Elektronen,
die zum Potentialminimum wandern, überlagert werden. Der Einfluß der Elektronen
auf die von den Löchern hervorgerufenen Signale an den p-Elektroden El, E2 und E3
ist natürlich vom Abstand der Elektronenwolke, d. h. des Potentialminimums von den
beiden Elektroden abhängig. Erst wenn die Elektronen die Anode, d.
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h. die Elektrode E4 erreicht haben, ist der Einfluß verschwunden.
Man kann deshalb vorteilhafter Weise die Änderung der Signalform an den Elektroden
El, E2 und E3 zur Positionsbestimmung heranziehen.
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Bei der in Fig.3a dargestellten Lage des Potentialminimums 'PM überkompensiert
beim Teilchen T1 das "Influenzsignal" in der Anfangsphase das "Löchersignal", bei
Teilchen T2 jedoch nicht.
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Vergrößert man jedoch durch Variation der Spannungen U1, U2 und U3
den Abstand des Potentialminimums PM von der Hauptoberfläche 1 (Fig.3b), so wird
das an der Elektrode El anstehende schnelle Triggersignal, das von den Löchern erzeugt
wird, unmittelbar nach dem Einfall des Teilchens T1 nicht so stark von dem "Influenzsignal"
überlagert. Man erhält ein positives Signal, wenn das Potentialminimum unterhalb
der geometrischen Mitte verläuft. Aus der Amplitude dieses
Signals
ist direkt der Einfallsort bestimmbar. Durch diese grobe Ortsbestimmung über das
Minoritätsträgersignal läßt sich die Zählrate des Detektors erhöhen.
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Eine weitere Möglichkeit, den Einfluß der Elektronen zu vermindern,
besteht darin, eine Elektrode, beispielsweise die auf der Hauptoberfläche 1 aufgebrachte
Elektrode Ei in Form von Streifen senkrecht zur Bildebene auszuführen. Mit dem Wegwandern
der Elektronen von dem jeweiligen Streifen vermindert sich der Einfluß der Influenz
auf diese Querstreifen.
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Verwendet man Streifen parallel zur Bildebene, d.h. Längsstreifen,
so kann sofort aus der Signalform an den verschiedenen Streifen erkannt werden,
welcher Streifen von der Strahlung getroffen worden ist, d.h. es ist eine zweidimensionale
Ortsauflösung möglich.
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In beiden Fällen kann jedoch an der niederohmigen Streifenelektrode
ein schnelles Triggersignal für die Elektronen abgegriffen werden. Darüberhinaus
kann eine zusätzliche Ortsinformation aus dem an den Elektroden E2 und E3 abgegriffenen
Löchersignal gewonnen werden. Ferner ist es natürlich auch hier möglich, mehr als
zwei Elektroden an dem Gebiet p2 anzubringen, so daß eine zweidimensionale Ortsauflösung
möglich ist.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen als weitere Ausführungsbeispiele einen kombinierten
Halbleiterdetektor, beispielsweise einen dE/E-Detektor, der als Diskriminator oder
als Spektralanalysator für Licht mit Wellenlängen vom UV bis Infrarot verwendet
werden kann. In der Hauptoberfläche 1 befindet sich ein großflächiges niederohmiges
p-Gebiet pl mit einer Elektrode Ei aus Aluminium oder ITO; in einer zweiten Hauptoberfläche
2 befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 4 ebenfalls
ein großflächiges p-Gebiet p2, das niederohmig oder als Widerstandsschicht ausgeführt
sein kann und mindestens zwei Elektrodenanschlüsse E2 und E3 aufweist, wobei E3
E2 ringförmig umschließt.
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Ferner befindet sich in der Hauptoberfläche 2 ein ringförmiges n+-Gebiet
n+, an der die Spannung U4 ( 20) anliegt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 soll angenommen werden, daß
die Strahlung durch die Hauptoberfäche 1 einfällt.
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Legt man an die Elektrode Ei eine Spannung -U1 und an die Elektrodenanschlüsse
E2 und E3 die Spannungen -U2 und -U3 mit -U2=-U3 an, die groß genug sind, daß sich
die Raumladungszonen berühren, so erhält man ein Potentialminimum PM für die Majoritätsträger
(bei der exemplarisch gewählten Leitfähigkeit des Grundgebiets die Elektronen),
welches bei homogener Dotierung des Halbleiterkörpers durch die geometrische Mitte
verläuft.
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Wählt man die Spannungen -U1 und -U2 unterschiedlich groß, so liegt
das Potentialminimum nicht in der Mitte des Körpers k, sondern ist zu dem mit der
niedrigeren Spannung beaufschlagten Gebiet hin verschoben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Spannung U1 kleiner als die Spannung U2, so daß das Potentialminimum näher
bei dem Gebiet p 1 liegt.
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Durch die zwei für die Minoritätsträger unabhängigen Halbleitergebiete,
wie sie sonst nur durch Epitaxie oder Ionenimplantation (buried layer) herstellbar
sind, ist in einfacher Weise ein kombinierter Detektor, beispielsweise ein Diskriminator,
ein Spektralanalysator, oder wie bei dem in Fig.4 gezeigten Ausführungsbeispiel
ein dE/E-Detektor
realisierbar. Der zwischen dem Potentialminimum
PM und dem Gebiet pl liegende Teil des Halbleiterkörpers k mit der Dicke d1 stellt
den dE-Detektor dar, während der darunterliegende Teil des Körpers k mit der Dicke
d2 den E-Detektor ergibt.
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Dabei kann die Dicke der beiden Gebiete bzw. Detektoren beliebig durch
Änderung der Spannungsverhältnisse und der Dotierung des Halbleiterkörprs, z.B.
in Oberflächenrichtung eingestellt werden, d.h. dl kann auch größer als d2 sein.
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Die Lage des Potentialminimums, d.h. die Dicken di und d2 lassen sich
über den Dunkelstrom der Löcher in Abwesenheit von Teilchen bzw. Strahlung ermitteln,
wobei evtl. eine zusätzliche Belichtung mit einer Infrarotleuchtdiode erfolgt. Bei
Unterteilung der Elektrode E3 z.B. in Form von Streifen ist eine zweidimensionale
Ortsauflösung möglich.
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Wenn das Gebiet p.2 als Widerstandsschicht ausgeführt ist, kann das
Verhältnis des an den Elektrodenanschlüssen E2 und E3 abgegriffenen Löcherstroms
zusätzlich zu einer Grobbestimmung des Einfallorts dienen.
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Im folgenden soll die Funktionsweise des in Fig.4 darge-~stellten
Detektors erläutert werden: Fällt ein Teilchen auf die Hauptoberfläche 1 des dE/E-Detektors
ein, so wird es bei genügend großer Reichweite den dE-Detektor vollständig durchqueren
und erst im E-Detektor gestoppt werden. Die Menge der im dE-Detektor erzeugten Ladungen
(Löcher) liefert den spezifischen Energieverlust, während die Ladungen (Löcher)
im E-Detektor die Restenergie ergeben. Somit ist es möglich, gleichzeitig die Energie
und über den spez. Energieverlust die Art des Teilchens zu bestimmen. Darüberhinaus
kann sogar eventuell eine zumindest grobe Information ~über den Ort des einfallenden
Teilchens gewonnen werden.
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Weiterhin kann die Dicke des dE-Detektors je nach Anwen-
dungsfall
einfach verändert werden.
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Der in Fig.4 gezeigte Detektor hat den Vorteil, daß keine beispielsweise
aus Elektroden bestehenden Totschichten zwischen dem dE-Detektor und dem Detektor
zur Bestimmung der Restenergie benötigt werden.
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Ferner hat der beschriebene Detektor und auch allgemein entsprechend
aufgebaute kombinierte Detektoren den Vorteil, daß die Kapazität der einzelnen Detektoren
sehr niedrig ist, da nicht die Dicke eines einzelnen Detektors für die Größe der
Kapazität bestimmend ist, sondern die Gesamtdicke (d1+ d2). Damit weist der dE-Detektor
ein geringes Rauschen auf.
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Weiterhin ist der Sperrstrom des dE-Detektors sehr klein, da der sonst
sehr kritische Rückkontakt entfällt. Schließlich ist der Detektor unabhängig von
der Dicke mechanisch sehr stabil.
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In der in Fig.4 gezeigten Form überlagert jedoch wiederum das von
den Majoritätsträgern (Elektronen) influenzierte Signal das Minoritätsträgersignal
(Löchersignal) im dE-Detektor bei geringem Abstand des Potentialminimums von einer
Hauptoberfläche. Es ist deshalb vorteilhaft, Maßnahmen vorzusehen, die eine Analyse
der Signale, beispielsweise der Signalform ermöglichen, und/oder den Einfluß der
Influenz durch Absaugen der Elektronen reduzieren.
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Ein vollständiges schnelles Absaugen der Elektronen ist dadurch möglich,
daß unmittelbar nach dem Auftreffen eines Teilchens (interner Trigger) das Potentialminimum
durch Verkleinern der Spannung U3 gekippt wird. Hierdurch laufen die Elektronen
vergleichsweise schnell entlang des Potentialminimums aus dem Bereich der Elektrode
Ei in das ringförmige n+-Gebiet. Nachdem diese zum "Herauslaufen" der Elektronen
erforderliche Zeit abgewartet worden ist,
stellt man den ursprünglichen
Zustand (U2=U3) wieder her und liest die gespeicherte Löcherinformation aus.
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~Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem der Einfluß der Influenz der Elektronen weitgehend ausgeschaltet ist. Bei dem
in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel soll angenommen werden, daß die Strahlung
durch die Hauptoberfläche 2 einfällt. Hierbei sind in der Hauptoberfläche 2 abwechselnd
Gebiete pl, n2, p3,... vorgesehen, die p- bzw. n-dotiert sind. Die an den Gebieten
n2,n4,.... anliegende Spannung U3 ist um einen kleinen Betrag weniger negativ als
die Spannung U2, die an den Gebieten pl, p3, ... anliegt: -U3 = -(U2-dU), so daß
durch diese Vorspannung des pn-Übergangs in Sperrichtung die Injektion von Majoritätsträgern,
d.h. von Elektronen verhindert wird (Fig. 5a).
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-Zum Beseitigen, d.h. zum schnellen Absaugen der Elektronen im Potentialminimum
werden die Spannung 3 oder die Spannungen U3 und U2 gleichzeitig in posiitver Richtung
oder/und die Spannung Ul in negativer Richtung verändert. Hierdurch wird das Potentialminimun
in Richtung auf die n+-dotierten Gebiete n2, n4,...hin verschoben, so daß die Elektronen
im Potentialminimum in die n+-Gebiete fließen können (Fig.5b). Das Elektronensignal
kann zur Bestimmung der Gesamtenergie benutzt werden.
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Ferner können die Elektronen im Potentialminimum auch dadurch rasch
abgesaugt werden, daß die Spannungen U1, U2 und U3 vorübergehend so verändert werden,
daß sich die Raumladungszonen nicht mehr berühren, d.h. das Potentialminimum verschwindet
und eine dünne n-Schicht entsteht.
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Bei einer weiteren Betriebsart kann die Konzentration der
Elektronen
im Potentialminimum PM beispielsweise durch eÄflC zusätzliche Belichtung so gesteigert
werden, daß eine elektrisch gut leitende Schicht entsteht, die die beiden Teile
des Halbleiters trennt. Auch hier ist allerdings eine höhere Kapazität die Folge.
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Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes voll depletiertes
CCD-Halbleiterbauelement. Das CCD-Element weist wiederum einen n-leitenden Halbleiterkörper
k auf, auf dessen Hauptoberfläche 1 sich eine CCD-Struktur und auf dessen Hauptoberfläche
2 sich eine Gegenelektrodenstruktur befindet, die ein schnelles Auslesen der Minoritätsträgersignale
und Löschen der Signale beider Ladungsträgerarten gestattet, um ein " Vollaufen"
der CCD-Zellen zu verhindern.
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Die CCD-Struktur auf der Hauptoberfläche 1 besteht in an sich bekannter
Weise aus alternierend in Richtung der Oberflächennormalen versetzt angeordneten
Elektroden 31, 32 ... in bzw. auf einer Oberflächenoxidschicht 3 (MOS-Elektroden).
An die Elektroden 31, 32, ... werden taktweise sich ändernde Spannungen /1 und 82
angelegt, die ein Verschieben der Majoritätsträger (Elektronen) und der Minoritätsträger
(Löcher) in jeweils entgegengesetzter Richtung zu Leseelektroden ne bzw. pe gestatten,
an die Auslesespannungen +U bzw. -U angelegt sind. Zur Erhöhung der Transferefficiency
kann eine bekannte ~buried-channel"-Anordnung benutzt werden.
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Die taktweise Variation der angelegten Spannungen ist bekannt, so
daß auf sie im vorliegenden Falle nicht näher eingegangen werden muß. Im Gegensatz
zu den bekannten CCD-Elementen ermöglicht jedoch die an sich bekannte zwei- oder
mehrphasige Variation der Spannung das gleichzeitige Verschieben sowohl der Majoritätsträger
als auch der Minoritätsträger in entgegengesetzter Richtung zu den jeweiligen Ausleseelektroden
ne bzw. pe.
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Auf der zweiten Hauptoberfläche 2 des Halbleiterkörpers k befindet
sich eine streifenförmige Struktur, die alternierend aus p+ und n+ -dotierten Gebieten
besteht. durch diese Struktur wird zum einen die vollständige Verarmung des Körper
k an Majoritätsträgern möglich. Zum anderen gestattet die p+-Gebiete das schnelle
Auslesen der Minoritätsträger, die in dem Teil des Körpers k zwischen der Hauptoberfläche
2 und dem Potentialminimum für die Majoritätsträger beispielsweise durch einfallende
Strahlung erzeugt worden sind.
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Die zwischen den p+-Gebieten angeordneten n+-Gebiete gestatten zum
Löschen der CCD-Zellen das schnelle Absaugen der gespeicherten Majoritätsträger.
Hierzu ist normalerweise die Spannung -(U-dU> geringfügig weniger negativ als
die Spannung -U, so daß durch diese Vorspannung des pn-Übergangs in Sperrichtung
die Injektion von Majoritätsträgern verhindert wird. Zum schnellen Absaugen der
Elektronen wird die Spannung (-U-dU) kurzzeitig auf den Wert 0 oder einen Wert größer
Null angehoben, so daß die Elektronen in die n+-Gebiete fließen können. Ansonsten
kann sinngemäß auch wie vor -stehend in Verbindung mit Fig.5 beschrieben verfahren
werden.
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Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel erlaubt die Aufnahme von
zwei Ladungsbildern. Verwendet man das Element gemäß Fig. 6 beispielsweise als Detektor
für sichtbares und Infrarotlicht, so gibt das Minoritätsträger-Ladungsbild, das
nur von den im Bereich zwischen der Hauptoberfläche 1 und PM erzeugten Minoritätsträgern
hervorgerufen wird, das "sichtbare Bild", da die Eindringtiefe von Licht mit Wellenlängen
im sichtbaren Bereich kleiner ist als die von Licht mit Wellenlängen im Infrarotbereich,
während das Majoritätsträger-Ladungsbild, das von den im gesamten Körper k erzeugten
Majoritätsträgern hervorgerufen wird, das "Mischbild" aus Licht mit Wellenlängen
vom Infrarotbereich bis zum sichtbaren Bereich wiedergibt.
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Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei
dem sich auch auf der Hauptoberfläche 2 eine Minoritätsträger-CCD-Struktur befindet,
die in gleicher Weise wie die in Verbindung mit Fig. 6 erläuterte Struktur auf der
Hauptoberfläche 1 aufgebaut ist. Lediglich die Elektrode n zum Absaugen der Majoritätsträger
entfällt, da diese an der Hauptoberfläche 1 gesammelt werden. Die zweite vorgesehene
Elektroden p+ ruft einen gewissen Abstoßeffekt hervor, durch den das Fließen der
Majoritätsträgr zu der Sammelelektrode für die Majoritätsträger unterstützt und
der Verlauf des Potentialminimus "geglättet" wird.
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Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt die Aufnahme von drei Ladungsbildern,
von denen zwei den beiden Ladungsbildern des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 entsprechen,
und das dritte Ladungsbild von den unter der Hauptoberfläche 2 gesammelten Minoritätsträgern
hervorgerufen wird, die im Bereich zwischen der Hauptoberfläche 2 und PM gebildet
worden sind.
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Das dritte Ladungsbild gibt - wiederum bei Bestrahlung mit Licht mit
Wellenlängen vom Infrarot bis zum sichtbaren Bereich, das reine "Infrarotbild",
da die gesammelten Minoriträger ausschließlich von Licht mit Wellenlägen im Infrarotbereich
erzeugt worden sind.
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In den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die
verschiedensten Merkmale kombiniert, von denen natürlich zur Realisierung des erfindungsgemäßen
Grundgedankens nur ein Teil erforderlich ist. Ferner ist es möglich, die MIS-Elektroden
zum Teil oder vollständig z.B.
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durch pn-Übergänge zu ersetzen.
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Fig. 8 zeigt ein derartiges CCD-Element, bei dem ein Teil der MIS-Elektroden
durch pn-Übergänge ersetzt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich auf
der Haupt-
oberfläche 1 abwechselnd p-Gebiete pl,p2..und MOS-Strukturen
31, 32 , d.h. auf einer SiO2-Oxidschicht 3 aufgedampfte Aluminiumschichten Al. Die
Struktur auf der Hauptoberfläche 2 entspricht der Elektrodenanordnung bei dem in
Verbindung mit Fig. 7 vorgestellten Ausführungsbeispiel.
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Bei dem CCD-Element gemäß Fig. 8 können lediglich die Majoritätsträger,
die im Potentialminimum PM gesammelt werden geschoben werden, die Signale der Minoritätsträger,
die zu den p-dotierten Gebieten wandern, werden anderweitig, beispielsweise über
die Struktur auf der Hauptoberfläche 2 ausgelesen.
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Ferner ist es bei einem derartigen CCD-Element möglich, durch geeignete
Dotierung eine Vorzugsrichtung für das Schieben ~einzubauen".
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Fig.9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in die verschiedenen
Vorteile der vorstehend aufgeführten Ausführungsbeispiele vereint.
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Auf der Hauptoberfläche 1 des Halbleiterkörpers k befindet sich eine
Oxidschicht Si02, auf der eine Widerstandsschicht R aufgebracht ist. Die Widerstandsschicht
R ist mit zwei Elektroden El und E2 kontaktiert. Ferner befindet sich in der Hauptoberfläche
1 ein Gebiet p+ zum Sammeln der Minoritätsträger und ein Gebiet n+ zum Sammeln der
Majoritätsträger. In der Hauptoberfläche 2 befindet sich ein hochohmiges Gebiet
p, d.h.eine Widerstandsschicht, die mit Elektroden E3 und E4 kontaktiert ist.
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Legt man an die Elektroden El bis E4 Spannungen U1 bis U4 an, die
die in Verbindung mit der Beschreibung zu Fig.1 angegebene Beziehung (*) erfüllen,
sowie an die Gebiete p+ und
n+ die Spannung -UK und +UA, so erhält
man einen kontinuierliches CCD-Element für die Majoritätsträger sowie die Minoritätsträger,
die zwischen der Hauptoberfläche 1 und PM gebildet werden.
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Durch eine p+-Schicht, die angrenzend an das n+-Gebiet in der Hauptoberfläche
1 angeordnet ist, läßt sich die Kapazität der durch das n+-Gebiet gebildeten Elektrode
herabsetzen.
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Dieses Element hat eine Reihe von Vorteilen: Eine Positionsbestimmung
von einfallenden Teilchen ist sowohl aus dem Majoritätsträger- als auch aus dem
Minoritätsträger-Ladungsbild möglich.
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- An der Hauptoberfläche 2 steht ein schnelles Triggersignal zur Verfügung,
das Verhältnis der an den Elektroden E3 und E4 abgegriffenen Signale kann darüberhinaus
zu einer groben Positionsbestimmung der einfallenden Strahlung verwendet werden
kann.
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Die Ausleseelektroden haben sowohl für Majoritätsträger als auch für
Minoritätsträger eine geringe Kapazität, die sich für das Majoritätsträgersignal
durch eine zusätzliche p+-Schicht weiter herabsetzen läßt; ferner fließt ein niedriger
Leckstrom.
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- Durch die kontinuierliche Verschiebung der Majoritätsträger und
der Minoritätsträger ist Löschen ~vollgelaufener Zellen" nicht erforderlich.
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- Das Element ist als dE/E-Detektor verwendbar underlaubt die Unterscheidung
von gering und tief eindringender Strahlung Fig. 10 zeigt eine Modifikation des
in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem auch auf der Hauptoberfläche 2
eine Minoritätsträger-CCD-Struktur vorgesehen ist. Auf einer Isolationsschicht SiO2'
befindet sich wiederum eine Widerstandsschicht R', die über zwei Elektroden E3 und
E4 kontaktiert ist, an die Spannungen U3 und U4 angelegt sind, die ebenfalls die
Beziehung (*) erfüllen können. Ferner befindet sich in der Hauptoberfläche 2 ein
Gebiet p+ , an das die
Spannung -UK angelegt ist, und in dem die
Minoritätsträger gesammelt werden, die zwischen der Hauptoberfläche 2 und PM gebildet
werden.
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Das in Fig. 10 gezeigte Ausführungsbeispiel liefert wie das CCD-Element
nach Fig. 7 drei Ladungsbilder, die beispielsweise dann, wenn das Element als Detektor
für sichtbares Licht und Infrarotlicht verwendet wird, unterschiedliche Informationen
ergeben.
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Fig. 11 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine nach dem erfindungsgemäßen
Prinzip aufgebaute Single-Photon-Avalanche-Diode. Die Diode weist wiederum einen
Halbleiterkörper k auf, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus p-dotiertem
Silizium besteht. Auf der Hauptoberfläche 1 befindet sich eine Isolationsschicht
SiO2 aus Siliziumdioxid, in der sich ein "Fenster" aus ITO befindet. Unter dem Fenster
befindet sich in der Hauptoberfläche 1 ein n+-Gebiet n+, das von einem p-dotiertem
Verarmungsgebiet p+ umgeben ist. Auf der Rückseite befindet sich ein großflächiges
niederohmiges n+-Gebiet. An die einzelnen Gebiete sind die in Figur 11 dargestellten
Spannungen angelegt, für die gilt: U2»U1 Aufgrund dieser Beziehung und geeigneter
Dotierungsprofile befindet sich das Potentialminimum PM nahe der Hauptoberfläche
1. Das Potentialminimum schirmt damit die Elektronen, die in diesem Falle die Minoritätsträger
sind, aus dem größten Teil des Halbleiterkörpers ab, so daß diese keinen unerwünschten
Avalanche auslösen können.
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Fig. 12 zeigt einen Detektor mit integrierten Feldeffekttransistoren,
wobei für gleiche Elemente wie in den vorigen
Figuren die gleichen
Bezugszeichen verwendet werden. Der Körper k besteht bei diesem Ausführungsbeispiel
wieder aus n-dotiertem Silizium. Die mit S, D und G bezeichneten Elemente bilden
die Source, die Drain bzw. das Gate des Feldeffekttransistors. Durch die an das
Gebiet p+ angelegte Spannung U1, U2 usw. sowie die an der Hauptoberfläche 2 angelegte
Spannung U3 wird im Halbleiterkörper wiederum ein Potentialminimum PM erzeugt. Die
im Potentialminimum gesammelten Elektronen verändern das Oberflächenpotential im
Kanal unter dem Gate G des Feldeffekttransistors, an dessen Source die Spannung
U1 und an dessen Drain die Spannung U2 anliegen und steuern so den Drainstrom ID.
Durch Anlegen einer positiven Spannung U1 an das mit A bezeichnete n+-Ge-Gebiet
können die Majoritätsträger-abgesaugt werden.
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Die in Fig.12 gezeigte Halbleiteranordnung, bei der die direkt unter
dem Gate G erzeugten bzw. gesammelten Ladungen zerstörungsfrei gemessen werden können,
ist nur eine von vielen Möglichkeiten, Halbleiteranordnungen "mit eingebauter Signalverarbeitung"
zu realisieren. Beispielsweise läßt sich die Ankoppelung des Signals durch Potentialverschiebung
an das Gate eines Feldeffekttransistors auch bei einer als Driftkammer betriebenen
Halbleiteranordnung verwenden.
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|Eine Anordnung, bei der der Halbleiterkörper zwischen dem Potentialminimum
und der Hauptoberfläche 2 nicht notwendigerweise als Strahlungsdetektor benutzt
wird, kann in vorteilhafterweise als Ersatz einer Epitaxieschicht dienen.
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Halbleiterelemente, wie Transistoren, die ähnlich wie in Fig. 12 in
die Hauptoberfläche 1 eingebaut sind, werden durch das Potentialminimum vom restlichen
Halbleiterkörper "isoliert", da im Potentialminimum die Majoritätsträger gesammelt
werden, und die Minoritätsträger durch das Potentialminimum für die Majoritätsträger,
das für die Minoritätsträger ein Potentialmaximum darstellt, aus dem Gebiet zwischen
dem Potentialmaximum und der Hauptoberfläche 2 zu der Hauptoberfläche 2 abfließen.
Damit verhalten sich die eingebauten Halbleiterelemente, beispielsweise die
Transistoren
ähnlich wie Elemente, die in einer Epitaxieschicht eingebaut sind. Sie weisen damit
die gleichen Vorteile wie derartige Elemente auf, also z.B. hohe Geschwindigkeit
der Signalverarbeitung in Folge kleiner Kapazitäten.
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Drei Möglichkeiten der Isolation sind in den Fig. 13a bis c dargestellt.
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Bei allen in den Fig. 13a bis c dargestellten Ausführungsbeispielen
besteht der Körper k aus n-dotiertem Silizium. In der Hauptoberfläche 2 befindet
sich ein niederohmiges Gebiet p+, an das - wie vorstehend bereits-mehrfach beschrieben
-eine Spannung -U2 angelegt ist, die zusammen mit einer an eine Elektrode in der
Hauptoberfläche 1 angelegten Spannung -U1 das Potentialminimum PM für die Majoritätsträger,
d.h.
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bei dem gezeigten Ausführungsbeispielen die Elektronen erzeugt. Ferner
befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13a in der Hauptoberfläche
1 eine p-dotierte Wanne pW. Diese Wanne umgibt ein ringförmiges Gebiet n+, an das
eine Spannung U4 zum Absaugen der im Potentialminimum PM gesammelten Majoritätsträger
angelegt ist.
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In Fig. 13 a ist ein für CMOS-Schaltungen wichtiger komplimentärer
NMOS-Feldeffekttransistor in der p-Wanne pW dargestellt. Der Feldeffekttransistor
weist in an sich bekannter Weise eine n-dotierte Source S und n-dotierte Drain D
auf, zwischen denen das Gate G auf einer Isolationsschicht angeordnet ist. Da die
Wanne pW durch das Potentialminimum PM für die Majoritätsträger, das ein Potentialmaximum
für die Minoritätsträger ist, elektrisch vom Grundkörper k"isoliert ist", werden
sowohl die Majoritätsträger, die im Potentialminimum PM gesammelt werden, als auch
die Minoritätsträger aus dem "pulk", d.h. dem Hauptteil des Grundkörpers k von der
Wanne ferngehalten und umgekehrt. Durch diese elek-
trische "Isolation"
der Wanne werden unerwünschte parasitäre Transistoren und insbesondere der CMOS-Schaltungen
gefährlich parasitäre Thyristor vermieden. Die Schaltungen können deshalb gegen
den "latch up-Effekt" sicher gemacht werden.
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Fig. 13b und 13c zeigen die "Isolationsmöglichkeit" eines PMOS-Feldeffekttransistors
in einem n-dotierten Siliziumsubstrat k durch das Potentialminimum PM, das bei dem
in Fig. 13b gezeigten Ausführungsbeispiel durch mit negativen Spannungen -U1 und
-U3 beaufschlagten Drain- und Source-Elektroden D bzw. S selbst erzeugt wird. In
Fig. 13c übernehmen diese Aufgabe zusätzliche mit der Spannung -U1 beaufschlagte
p+-Gebiete, zwischen die der Transistor eingebaut ist.
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Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen sowie Kombinationen
der beschriebenen Ausführungsformen möglich.
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Vorstehend sind Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung der Allgemeinheit
beschrieben worden. Selbstverständlich sind im Rahmen das allgemeinen Erfindungsgedankens
die verschiedensten Modifikationen möglich; Beispielsweise können ohne weiteres
n- und p-dotierte Gebiete sinngemäß vertauscht oder eine Zylindergeometrie verwendet
werden. Ebenso ist es möglich, in Halbleitern mit mehreren alternierenden angeordenten
p-,n-,p-dotierten Gebieten sinngemäß mehrere Potentialminima erzeugen.
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Darüberhinaus kann der Verlauf des Potentialminimums, der außer von
der Spannung auch von der Dotierung des Halbleiterkörpers abhängig ist, dazu dienen,
Dotierungsunterschiede, z.B. Änderungen des Widerstandes und/oder des Dotierungsprofils
zu ermitteln. Daneben ist es auch möglich Effekte wie Rekombination, Trapping oder
die Lebensdauer von Ladungsträgern zu untersuchen. Die Lage des Potentialminimums
läßt sich beispielsweise aus dem Verhältnis der Dunkelströme der Minoritätstriger
ermitteln.
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