DE826324C - Photoelektrische Vorrichtung mit einem Koerper aus Halbleitermaterial - Google Patents

Photoelektrische Vorrichtung mit einem Koerper aus Halbleitermaterial

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Description

Die Erfindung betrifft auf Licht ansprechende elektrische Vorrichtungen und insbesondere Signalübertragungsvorrichtungen, welche einen Körper aus Halbleitermaterial enthalten und deren Wirkung auf Lichtwiderstand beruht.
Ein Ziel der Erfindung besteht in. der Verbesserung der Wirkungsweise und der aufbaumäßigen Besonderheiten von photoelektrischen Vorrichtungen und spezieller von auf Lichtwiderstand beruhenden Vorrichtungen für die Steuerung und Änderung elektrischer Signale in Übereinstimmung mit Licht. Licht im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt sowohl den sichtbaren als auch den nach längeren Wellenlängen verschobenen unsichtbaren Teil des Spektrums.
Nach einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Übertragungsvorrichtung einen Körper aus Germanium, z. B. von N-Leitfähigkeits-Typ mit hoher Gegenspannung, wobei ein zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen befindlicher Teil verringerte Dicke, ζ. B. eine Stärke in der Größenordnung von 0,05 mm, aufweist. Die Vorrichtung enhält außerdem einen Spitzenikontakt, · der an einer Fläche des dünnen Teils des Germaniumkörpers anliegt, und einen Ohmschen, zu dem Körper führenden Anschluß an einen von dem Spitzenkontakt entfernten Bereich. Ein Belastungskreis ist zwischen dem Kontakt und dem Ohmschen Anschluß angeschlossen und enthält eine Spannungsquelle, um den Kontakt in der umgekehrten Richtung vorzuspannen, d. h. die Polarität entspricht der Richtung hohen Widerstandes der Diodengleichrichtung der Halbleiter-Metallkontakt-Kombination. Licht, welches hinsichtlich Intensität oder Einwirkungsfrequenz oder beidem veränderlieh sein kann, wird auf einen beschränkten Bereich
des dünnen Teils des Germaniumkörpers gegenüber dem Spitzenkontakt konzentriert.
Die Vorrichtung weist sehr hohe Empfindlichkeit, z. B. in der Größenordnung von einigen hundert Milliwatt per Lumen auf, außerdem hdhes Auflösungsvermögen, wobei der aktive Bereich bei betriebsmäßigen Vorrichtungen nur wenige hundertstel Quadratmillimeter groß ist, und hohe Leistungsfähigkeit, insbesondere einen Quantenwirkungsgrad größer als eins. Die Vorrichtung spricht im übrigen über einen breiten Wellenlängenbereich in dem Lichtspektrum an, unter Einschluß derjenigen Wellenlängen, die auf einer Quantenverteilungsbasis in dem Spektrum eines Schwarz-Strahlers vorherrschen, und die Änderung des Belastungsstroms als Funktion der Änderung der Belichtungsintensität ist im wesentlichen linear. Darüber hinaus zeichnet sich die Vorrichtung aufbaumäßig durch geringes Gewicht, kleine Größe, ao Einfachheit und Widerstandsfähigkeit aus und ist daher für schnelle Massenfertigung geeignet, und sie besitzt eine lange betriebsmäßige Lebensdauer. Im Betriet) erzeugt die Vorrichtung eine Stromvervielfachung, weshalb sie gleichzeitig als P'hotozelle aj und Verstärker wirkt.
Obwohl Germanium weiter oben besonders genannt worden ist, so läßt sich die Erfindung auch bei Vorrichtungen verwirklichen, die andere Halbleitermaterialien, z. B. Silicium, verwenden, welche die Fähigkeit haben, einen übertragenen Photoeffekt zu erzeugen, d. h. fähig sind, elektrische Änderungen in Bereichen eines Kristalls durch Belichtung eines Bereiches des Kristalls, der von den ersterwähnten Bereichen entfernt ist, hervorzurufen. Obwohl N-Typ-Material besonders hervorgehoben wurde, kann man auch P-Typ-Material anwenden.
Die Erfindung und die verschiedenen Merkmale derselben werden klarer und vollständiger aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung verständlich, und zwar in Verbindung mit der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt
Fig. ι eine Darstellung, die die Hauptteile einer photoelektrischen übertragungsvorrichtung veranschaulicht, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist,
Fig. 2 und 3 Schaubilder mit Darstellung der betriebsmäßigen Kennlinien typischer Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 4 ein Schaubild mit Darstellung des Auflösungsvermögens solcher Vorrichtungen,
Fig. 5 und 6 Längs- und Querschnitt einer Übertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 ein Schaubild, welches die Ansprechkurve als Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichtes bei einer Vorrichtung veranschaulicht, die für die Erfindung typisch ist und im Sinne der Erfindung aufgebaut wurde.
Nach der Zeichnung enthält die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung eine Schei'be oder Oblate | 10 aus Germanium, wobei eine Fläche der Scheibe eine zentrale, kugelige Vertiefung 11 aufweist, und außerdem einen Spitzenikontakt 12, der im folgenden als Kollektor bezeichnet wird und der an der Mitte der vertieften Oberfläche anliegt. Die Scheibe 10 kann aus N-Typ-Germanium mit hoher Gegenspannung bestehen, das in bekannter Weise hergestellt wurde und dessen Oberflächen geätzt sind. Nach einer speziellen und beispielsweisen Vorrichtungkann die fertig behandelte und geformte Scheibe einen Durchmesser von 2,54 mm aufweisen, eine Gesamtdicke von 0,5 mm und eine minimale Dicke in dem Spitzenkontaktbereich von 0,05 mm haben. Ein Ohmscher Anschluß 13, der im folgenden Grundanschluß genannt wird, ist an der Umfangsfläche der Scheibe angebracht. Dieser Anschluß kann z. B. aus einem galvanischen Rhodiumüberzug oder einer getrockneten Silberpaste bestehen.
Der Kollektor 11 ist mit Bezug auf den Grundanschluß 13 mittels einer Spannungsquelle 14 negativ vorgespannt, wobei eine Belastung 15 in den Kreis eingeschaltet ist. Es ist ersichtlich, daß die Polarität der Vorspannung der Sperrichtung der der Kombination aus Metallkontakt 12 und N-Typ-Germaniumscheibe eigenen Gleichrichtung entspricht. Für eine Vorrichtung der oben angegebenen Konstruktion kann die Vorspannung zwischen 20 und 100 Volt liegen, und der Belastungswiderstand kann eine Größenordnung von 10 000 bis 25 000 Ohm haben. Gegenüber der Scheibe 10 ist eine Linse 16 für die Konzentration des von der Quelle 17 kommenden Lichtes auf einen beschränkten Bereich der Fläche 18 angeordnet; dieser Bereich liegt gegenüber dem Kollektor 12. Die Quelle 17 kann z. B. aus einem Wolframdraht bestehen, der bei etwa 29000 absolut betrieben wird. Für die Veränderung der Intensität oder die periodische Unterbrechung der Belichtung der Fläche 18 durch die Lichtquelle können geeignete Mittel vorgesehen sein.
Die typischen betriebsmäßigen Kennlinien von Vorrichtungen nach der in Fig. 1 gezeigten und oben beschriebenen Konstruktion sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. In den veranschaulichten Fällen hatte das auf die Fläche 18 geworfene Bild der Quelle 17 einen Durchmesser von rund 0,13 mm. Fig. 2 veranschaulicht die Beziehung zwischen Kollektorstrom und Kollektorspannung für verschiedene Werte des gesamten von der Quelle 17 kommenden Lichtflusses, der auf die Fläche 18 der Halbleiterscheibe fällt; der Lichtfluß ist für jede Kurve konstant und ist für die den verschiedenen Kurven entsprechenden Fälle durch Einschaltung von Licht absorbierenden Gittern geändert, die zwischen der Quelle und der Fläche 18 liegen, ohne die Farbe des Lichtes zu verändern. Die Anpassungswiderstandsgerade ist bei 20 000 Ohm dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Gruppe von Kurven, die das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und einfallendem Lichtfluß für verschiedene Werte der Kollektorspannung veranschaulichen. Bei der Beurteilung der Kurven nach Fig. 2 und 3 ist zu beachten, daß die angegebene Belichtung aus den sichtbaren Komponenten von Wolfram licht besteht, das in Lumen gemessen wurde, und daß die dar-
gestellte Ansprechgröße der gemessenen Gesamtansprechgröße auf die ganze nützliche, gleichförmige Spektralverteilung des Wolframlichtes entspricht. Nach den Kurven gemäß Fig. 2 und 3 ist der ungewöhnlich große Gleichstromdurchlaß der Vorrichtungen bemerkenswert, der z. B. bei einer Belastung von 20 000 Ohm eine Größenordnung von 100 000 Mikroampere per Lumen hat. Berechnungen, die auf Fig. 2 basieren, ergeben, daß bei einer ίο Vorrichtung mit mechanischer Unterbrechung des Lichtbogens der erzielbare Wechselstromnutzleistungsdurchlaß bei geringer Belichtungsstärke in der Größenordnung von 600 Milliwatt per Lumen liegt.
Das Raumauflösungsvermögen von Vorrichtungen, die entsprechend der Erfindung aufgebaut sind, ist in Fig. 4 veranschaulicht, die auf Messungen einer Vorrichtung nach der oben beschriebenen Konstruktion beruht, welche mit einer Belastung
ao von 10 000 Ohm und mit einer negativen Kollektorvorspannung von 70 Volt betrieben wurde. Die Kurve veranschaulicht die Änderung des Kollektorstromes als Funktion der Verschiebung eines Lichtfleckes von 0,20 mm Durchmesser auf der Fläche 18, wobei der Nullpunkt der Abszisse an der Stelle liegt, für welche der Lichtfleck auf der Fläche 18 der Kollektorspitze 12 gegenübersteht. Es ist erkennbar, daß die Breite der Kurve bei halbem Maximum 0,40 mm beträgt. Nach Abzug des Durchmessers des Lichtfleckes 'hiervon ist das Auflösungsvermögen der Vorrichtung mit 0,20 mm angegeben. Es ist dann erkennbar, daß der wirksame Bereich der Fläche 18, das ist der Bereich, innerhalb welchem einfallendes Licht den Kollektorstrom in wirksamer und wesentlicher Weise verändert, unmittelbar gegenüber dem Kollektor wenige hundertstal Quadratmillimeter groß ist.
Zwei weitere bezeichnende Besonderheiten der Vorrichtung verdienen der Erwähnung. Es wurde festgestellt, daß die Ansprechgröße der Vorrichtung als Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichtes langsam von den Wellenlängen im sichtbaren, gelben Bereich des Spektrums steigt bis zu einem Maximum bei Wellenlängen von etwa 1,5 millionstel Meter (micron) und dann bei Wellenlängen über 1,6 millionstel Meter rasch abfällt, wie die graphische Darstellung der Fig. 7 erkennen läßt. Der Wellenlängenbereich, auf welchen die Vorrichtung anspricht, ist recht breit. Darüber hinaus umfaßt der Bereich hoher Spektralempfindlichkeit der Vorrichtung die Wellenlängen, für welche die Quantenemission von üblichen Schwarzstrahlungsquellen verhältnismäßig hoch ist.
Die folgende Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung stimmt mit den praktisch erzielten Ergebnissen überein. Die Lichtabsorption des Germaniums führt zur Bildung von freien Elektron-Loch^Paaren. Wenn diese Paare in der unmittelbaren Nachbarschaft des Kollektors erzeugt werden, wo das elektrische Feld in dem Germanium groß ist, so wird die Ladung getrennt und gesammelt, bevor eine Wiedervereinigung der Löcher und Elektronen eintreten kann. Auf diese Weise wird eine Zunahme des Kollektorstromes bewirkt. Wenn aber das Licht in solchen Teilen des Germaniums absorbiert wird, die von dem Kollektor entfernt liegen, so vereinigen sich die frei gemachten Elektronen und Löcher wieder, und es ergeben sich keine äußerlich beobachtbaren elektrischen Wirkungen. Die Größe der Kollektorstromänderung hängt von der Starte des einfallenden Lichtes ab. Messungen der spektralen Ansprechgröße von typischen, der Erfindung gemäß gebauten Vorrichtungen auf Quantenausbeutebasis haben ergeben, daß über breite Wellenlängenbereiche jedes im aktiven Bereich einfallende Strahilungsquantum die Sammlung mehrerer elektrischer Ladungen in dem äußeren Kreis zur Folge 'hat. Die Ladungsausbeute je Quant ist eine Funktion der Wellenlänge und ist in Fig. 7 veranschaulicht. Solche Ausbeuten scheinen auf zwei verschiedenen Vorgängen zu beruhen, nämlich einem primären Absorptionsprozeß, in welchem nicht mehr als ein Elektron-Loch-Paar je Quant erzeugt wird, und einem Stromvervielfachungsprozeß, durch welchen die primäre Ladung in dem hohen elektrischen Feld, welches in der Nähe des Kollektors besteht, vervielfacht wird. Auf diese Weise arbeitet die Vorrichtung gleichzeitig wie eine Photozelle und wie ein Stromverstärker.
Eine spezielle, der Erfindung gemäß gebaute Vorrichtung ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Sie enthält eine viereckige Germaniumsaheibe 10 von weiter oben angegebenen Größenmaßen, die z. B. mittels Lot an einem Flansch 20 eines zylindrischen, metallischen Trägers 21 befestigt ist, der seinerseits innerhalb eines Metallgehäuses 22 eingepaßt und befestigt ist. In dem Gehäuse 22 ist außerdem eine metallische Hülse oder Stütze 23 eingepaßt und befestigt, die eine Isolierscheibe 24 trägt. Dk Scheibe 24 dient als Führung, um den Kontakt 12, der z. B. aus Phosphorbronze bestehen kann, in der Vertiefung 11 der Scheibe 10 zu zentrieren. Der Kontakt 12 wird von einem kräftigen Zuführungsleiter 25 koaxial mit der Scheibe und dem Gehäuse gehalten. Der Leiter 25 sitzt in einem Isolierblock 26, der in der Hülse 23 eingepaßt ist. Die Konzentrierlinse 16 für die Lidhtkonzentration auf dem mittleren Bereich der Fläche 18 gegenüber dem Kollektor 12 ist ebenfalls in dem Gehäuse 22 eingepaßt und wird darin z. B. mittels eines geeigneten Zements gehalten.
Obgleich eine spezielle Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, so ist doch verständlich, daß dieses nur der Erläuterung wegen geschah und daß verschiedene Änderungen darin vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Wenn z. B. bei der beschriebenen Ausführungsform ein einziger Kollektor vorgesehen ist, so bestellt doch die Möglichkeit, eine Mehrzahl voneinander iao getrennter Kollektoren zu verwenden und den konzentrierten Lichtstrahl auf die aktiven Bereiche der Fläche 18 gegenüber bzw. entsprechend den zugehörigen Kollektoren einzustellen. Diese Bereiche können einzeln belichtet werden, beispielsweise in einer vorgeschriebene« Folge, um dadurch eine
Schaltungssteuerung oder Schaltungswahl zu bewirken.

Claims (10)

Patentansprüche: 5
1. Photoelektrische Vorrichtung mit einem Körper aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper wenigstens einen verdünnten, innerhalb einer dickeren Fläche Hegenden Teil, einen Spitzenikontäkt, der mit der Fläche des Körpers an dem verdünnten Teil im Eingriff steht, eine Ohmsche zum Körper führende Anschlußverbindung an einer vom Spitzenkontakt abgelegenen Stelle, eine Gegenspannung zwischen Spitzenkontakt und Anschlußverbindung und Mittel aufweist, um einen Lichtstraihl gegen den Bereich der anderen Körperseite zu leiten, der dem Spitzenkontakt gegenüberliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzerikontakt mit der Körperfläche einen Gleichrichtungskontakt bildet, die Leitmittel für den Lichtstrahl Mittel zur Ausrichtung eines konzentrierten Lichtstrahls auf die andere Körperfläche aufweisen und ein Belastungskreis an den Spitzenkontakt und die Ohmsche Anschlußverbindung angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verdünnte Teil, mit welchem der Spitzenkontakt im Eingriff steht, eine Dicke in der Größenordnung von 0,05 mm aufweist und daß die Leitmittel für den Lichtstrahl einen Strahl in der Größenordnung von 0,13 mm Durchmesser erzeugen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf einer höhlen Metallstütze innerhalb eines Gehäuses angebracht ist, wobei der Rand des Körpers an seiner Peripherie an die Stütze elektrisch so angeschlossen ist, daß eine Ohmsche Verbindung gebildet wird, und daß eine Isolierführung in einem Ende des Gehäuses für die Stützung des Spitzenkontaktes vorgesehen ist sowie eine optische Konzentrierlinse mit den Mitteln zur Leitung des Lichtstrahls, die in dem anderen Ende des Gehäuses untergebracht ist und deren Brennpunkt auf der dem Spitzenkontakt entgegengesetzten Fläche des Körpers liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenkontakt, der verdünnte Teil des Körpers, mit welchem der Spitzenkontakt im Eingriff steht, und die Linse koaxial ausgerichtet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch 'gelkennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen viereckige Gestalt hat.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper N-Typ-Leitfähigkeit besitzt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper P-Typ-Leitfähigkeit besitzt.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Germanium besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Silicium besteht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
O 2609 12.
DEP41935D 1949-04-06 1949-05-07 Photoelektrische Vorrichtung mit einem Koerper aus Halbleitermaterial Expired DE826324C (de)

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