DE891580C

DE891580C - Lichtelektrische Halbleitereinrichtungen

Info

Publication number: DE891580C
Application number: DEW7635A
Authority: DE
Inventors: John Northrup Shive
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1951-03-21
Filing date: 1952-01-12
Publication date: 1953-10-29
Also published as: SE145952C1; US2641713A

Description

AUSGEGEBEN AM 29. OKTOBER 1953

W 7635 VIII c j 2ig

Die Erfindung betrifft lichtempfindliche Halbleitereinrichtungen, insbesondere solche Einrichtungen, die Körper aus Halbleitermaterial mit aneinander angrenzenden Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp enthalten.

Es ist bekannt, daß Verbindungen zwischen Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp¹ in Körpern aus Halbleitermaterial, wie Silicium und Germanium, lichtempfindlich sind. Das heißt, daß man bei solchen bekannten Einrichtungen, wenn auf eine Oberfläche des Körpers ein Lichtstrahl gerichtet ist, einen Strom zwischen den Klemmen an den entgegengesetzten Enden des Körpers erhält, der von der Lage des Lichtstrahls zur Verbindung abhängig ist. Dieser Strom entsteht durch das Freiwerden von Ladungen innerhalb des Körpers infolge der Absorption des Lichtes. Diese Ladungen sind die eigentliche Quelle des Photostroms.

Die Empfindlichkeit solcher bekannten Einrichtungen - ist begrenzt. Weiterhin sind Kennlinien, ao die von Einrichtung zu Einrichtung reproduzierbar sind, schwierig zu erhalten.

Ein allgemeiner Gegenstand der Erfindung besteht darin, bei lichtempfindlichen Halbleitereinrichtungen bessere Arbeitsfeennlinien zu erzielen. Speziellere Gegenstände der Erfindung bestehen darin, die Empfindlichkeit derartiger Einrichtungen zu erhöhen, reproduzierbare Kennlinien zu erzielen und die Steuerbarkeit des Photostroms zu vergrößern.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht eine Photo'zelle aus einem Germanioimkörper

mit zwei Zonen vom iV-Leitfähigkeitstyp, die auf den entgegengesetzten Seiten einer Zone vomP-Leitfähigkeitstyp angeordnet sind und an diese angrenzen. An die beiden iV-Zonen ist eine elekirische Spannungsquelle angeschlossen, so· daß eine der PN-Verbindungen in Sperrichtung und die andere in Flußrichtung vorgespannt ist. Auf die P-Zone, auf eine oder beide iV-Zonen in 'der Nähe der P-Zone oder auf die P-Zone und eine oder ίο beide iV-Zonen in der Nähe der P-Zone wird Licht gerichtet. Die Absorption des Lichts durch den Körper verändert die Energieniveaus innerhalb des Körpers, wodurch der Fluß von Ladungsträgern zwischen den Klemmen vergrößert wird. Auf diese Weise verändert das Licht die Impedanz des Körpers und bewirkt eine Steuerung des Stroms zwischen den Klemmen.

Die Erfindung und ihre verschiedenen Merkmale werden an Hand der nachfolgenden, ins. einzelne ao gehenden Beschreibung und der Zeichnungen klarer und vollständiger verständlich werden.

Fig. ι zeigt teilweise in perspektivischer Darstellung teilweise als Schaltbild ein Ausiührungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 und 3 sind Energiediagramme, auf die bei der Untersuchung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung hingewiesen wird;

Fig. 4 und 5 sind graphische Darstellungen, welche typische Arbeits'kennlinien von erfindungsgemäßen lichtempfindlichen Halbleitereinrichtungen zeigen.

Die in Fig. 1 dargestellte lichtempfindliche Einrichtung .enthält einen Körper aus Germanium mit zwei Zonen no A und ίο B vom JV-Leitfähigkeitstyp, die auf den entgegengesetzten Seiten einer dünnen Zonen vom P-Leitfähigkeitstyp angeordnet sind und an diese angrenzen. Die drei Zonen bilden zwei Grenzen oder Verbindungen J₁ und J₂. Vorteilhafterweise ist der Körper ein Einkristall. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel kann der Körper'3,28 mm lang, 0,5 mm dick und 1,0 mm breit sein, wobei die P-Zone 11 0,5 mm dick sein kann. Die Dicke der Zone 11 ist von großer Wichtigkeit, wie später näher erläutert wird. Mit den Ohmschen Anschlüssen bzw. Klemmen 14^4 und 14B an den beiden iV-Zonen, die z. B. Kupferüberzüge sein können, ist eine Gleichstromvorspannungsquelle, z. B. die Batterie 12, in Reihe mit einer Belastung 13 verbunden. Eine Oberfläche des Körpers oder ein Teil derselben ist über eine • Sammellinse 16 durch eine Lichtquelle 15 beleuchtet. Die Flächen des Körpers sind vorteilhafterweise besonders behandelt, um das Rekombinationsverhältnis der elektrischen Ladungsträger aus den Flächen herabzusetzen. Eine besonders günstige Behandlung besteht darin, die· Oberflächen chemisch auf Spiegelschliff zu polieren und sie dann einer kataphoretischen Behandlung in einer Antimon-Oxychlorid-Lösung zu unterwerfen, wobei der Germaniumkörper elektrisch positiv gegenüber einer metallischen Elektrode ist.

Beim Betrieb der Einrichtung wird das Licht durch den Germaniumkörper absorbiert, wobei eine Herabsetzung der Impedanz zwischen den Klem- menn^A und 114S und eine entsprechende Erhöhung des an die Belastung 13 gelieferten Stroms entsteht. Der Strom ist eine Funktion der an den Klemmen aufgedrückten Vorspannung und der Beleuchtungsstärke, wie unten ersichtlich wird. Jedoch soll bereits hier bemerkt werden, daß die Empfindlichkeit außerordentlich hoch ist. Eine Erhöhung des Stroms auf etwa 100 Elektronen pro einfallendes Photon ist bei typischen Einrichtungen erzielt worden.

Der Steuervorgang und die Merkmale der Erfindung werden bei Betrachtung der lEnergieniveaudiagramme, die für die Einrichtung nach Fig. 1 in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, verständlich werden. In den Fig, 2 und 3 ist das Fermi-Niveau eingezeichnet. Die Kurven. C stellen den unteren Rand des Leitungsbandes und die Kurven F den oberen Rand des vollen Bandes dar. Die mit JV und P bezeichneten Gebiete entsprechen den ebenso bezeichneten Zonen oder Gebieten in Fig. 1. In Fig. 2 sind die Energieniveaus für den Germaniumkörper der Fig. ι ohne angelegte Vorspannung aufgezeichnet. In Fig. 3 sind die Niveaus für den Fall dargestellt, daß durch die Quelle 12 eine Vorspannung anliegt, wobei der positive Pol der Spannungsquelle sowohl in Fig. ι als auch in Fig. 3 mit der rechten IV-Zone verbunden ist.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, enthält der Halbleiterkörper bei der Einrichtung nach Fig. 1 zwei PiV-Verbindungen, die hintereinander- und entgegengesetzt zueinander liegen, so daß zwischen den beiden iV-Zonen in jeder Richtung eine hohe Impiedanz für den Strom vorhanden ist. Bei den in Fig. 3 dargestellten Verhältnissen wird man feststellen, daß eine Verbindung, nämlich J₂ in Fig. 1, in Sperrichtung und die andere, nämlich Z₁ in Fig. i, in Flußrichtung vorgespannt ist. Die am Halbleiterkörper liegende Spannung setzt sich aus den inneren· Spannungsabfällen IR in den N- und P-Zonen und aus den Spannungsabfällen an den beiden Verbindungen zusammen. Von diesen Teilbetragen ist der Spannungsabfall an der Verbindung J₂ groß, während die anderen klein sind.

Der durch eine PiV-Verbindung, z. B. J₂ in Fig. >i, fließende Strom besteht, wenn die Verbindung in Sperrichtung vorgespannt ist, aus der no Summe des Löcherstroms von der N-Zone. zur P-Zone und des Elektronenstroms von der P-Zone zur iV-Zone. Bekanntlich sind die normalerweise in P-Typ-Halbleitern im Überschuß vorhandenen Ladungsträger Löcher, während in iV-Typ-Halbleitern Elektronen im Überschuß vorhanden sind. Auf diese· Weise wird verständlich, daß die Größe des Stroms in einer Verbindung, wie sie hier betrachtet wird, durch die Konzentration der auf jeder Seite der Verbindung in der Minderzahl vorhandenen Ladungsträger bestimmt ist, also· der Löcher in der iV-Zone und der Elektronen in· der P-Zone.

Wie oben festgestellt, ist die andere Verbindung, nämlich J₁ in Fig. 1, in Flußrichtung vorgespannt. Infolge dieser Vorspannung wird das Hindernis für

die Ladungsträger an der Verbindung in jeder Richtung, d. h. für die Löcher von der P-Zone und die Elektronen von der N-Zone, verringert. Der Elektronenstrom in die P-Zone erhöht die Konzentration der in diesem Gebiet in der Minderheit vorhandenen Ladungsträger, nämlich der Elektronen, woraus eine Erhöhung des Stroms durch die in Sperrichtung vorgespannte Verbindung J₂ folgt. Anders ausgedrückt: der Strom in Sperrichtung ίο wird in der Verbindung J₂ durch den Strom in der in Flußrichtung vorgespannten Verbindung J₁ moduliert.

Wenn im Germanium Licht absorbiert wird, entsteht für jedes absorbierte Photon ein Elektron und ein Loch. Das Elektron wird in das obere Band bzw. das Leitungsband angehoben, und das Loch bleibt im unteren Band bzw. vollen Band. Wenn dies in der P-Zone geschieht, vereinigen sich einige der Elektronen mit einer gleichen Anzahl von Löchern, andere wandern in die 2V-Gebiete zu beiden Seiten der P-Zone, wobei die restlichen Löcher in der P-Zone gefangen bleiben. Die Raumladung dieser gefangenen Löcher erniedrigt das örtliche Potential in der P-Zone, so daß die Energkniveaus in dieser Zone herabgedrüdkt werden. Infolgedessen wird das Hindernis für den Fluß der Elektronen von der iV-Zone durch die Verbindung Z₁ verringert. Die Anzahl der Elektronen, die nun von der N-Zone in die P-Zone fließen, übersteigt die Anzahl, die von der P-Zone in die N-Zone wandern. Infolgedessen wird die Konzentration der in dieser Zone in der Minderzahl vorhandenen Ladungsträger, nämlich der Elektronen, erhöht, so· daß der Strom in der in Sperrichtung vorgespannten Verbindung J₂ größer wird. Auf diese Weise wird der Strom zwischen den beiden iV-Zonen und damit zwischen den Klemmen 14.A und 14.B der in Fig. Ί dargestellten Einrichtung größer. So betrachtet, wird der Leitwert des Halbleiterkörpers zwischen den Klemmen 114^ und 14 S infolge der Absorption des Lichtes durch die P-Zone erhöht.

Wenn auf die beiden A^r-Zonen oder Gebiete Licht auftrifft, bestehen die gleichen oben geschilderten Möglichkeiten für die Rekombination und Trennung durch Wanderung der Löcher und'Elektronen. Insbesondere wandern Löcher durch die Verbindungen, und die Elektronen bleiben zurück. Die Wirkung dieses Vorgangs ist die gleiche, wie sie oben für die Wanderung von Elektronen von der P-Zone in die N-Zone beschrieben wurde. Das endgültige Ergebnis besteht in einer effektiven Erhöhung des Leitwerts des Halbleiterkörpers und in einer Vergrößerung des Stroms zwischen den Klemmen 14Λ und 14$ des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterkörpers.

Es sei besonders bemerkt, daß der oben beschriebene Vorgang keine Photospannung erzeugt. Ebenso sind die durch die Absorption des Lichts frei gewordenen Ladungen nicht die primäre Quelle für den erhöhten Strom. Das Licht bewirkt eine Steuerung des Stroms· durch Modulation des Stroms in der in Sperrichtung vorgespannten Verbindung infolge des Durchgangs von Ladungsträgern in der in Fluß richtung vorgespannten Verbindung und Veränderung der Konzentration der in den Zonen in der Minderzahl vorhandenen Ladungsträger.

Zwei Faktoren von größerer Bedeutung für die oben beschriebene Wirkungsweise der Einrichtung sind besonders zu bemerken, und zwar die Lebensdauer der frei gemachten Ladungsträger und die Wanderungsweglänge der Löcher. Wie oben angegeben wurde, rührt die Erhöhung des Leitwerts von denjenigen Ladungsträgern her, die durch die Absorption des Lichts frei werden und sich nicht mit den Ladungsträgern von entgegengesetzten Vorzeichen wieder vereinigen sondern in die angrenzende Zone; oder Zonen wandern. Auch ist festgestellt worden, daß die Modulation des Stroms in der in Sperrichtung vorgespannten Verbindung J₂ größer wird, wenn die Lebensdauer der Ladungsträger anwächst. Infolgedessen ist ein möglichst geringes Rekombinationsverhältnis erwünscht. Bei Germanium tritt eine Rekombination sowohl im Innern des Materials als auch an der Oberfläche des Körpers auf, wobei die Rekombination an der Oberfläche gewöhnlich größer ist als die im Innern. Das Rekombinationsverhältnis im Innern des Materials der Einrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird durch Verwendung eines Einkristallkörpers verringert. Das Relcombinationsverhältnis an der Oberfläche wird durch die weiter oben beschriebene Oberflächenbehandlung des Halbleiterkörpers wesentlich, herabgesetzt.

Weiterhin geht aus der obigen Untersuchung hervor, daß der beschriebene Vorgang von der Wanderung der frei gemachten Ladungsträger von einer Zone zur anderen abhängt. Hieraus ergibt sich, daß die P-Zone bzw. das P-Gebiet, gemessen zwischen den beiden A^r-Zonen, nicht dicker als die Wanderungsweglänge dieser Ladungsträger sein soll. Also soll bei den in Fig. 1 dargestellten und hiter beschriebenen Einrichtungen die Dicke der P-Zone 11 etwa einige Zehntelmillimeter betragen.

Die Wanderungsweglänge bestimmt auch die Ausdehnung der Beleuchtungsfläche, bei der die größte Empfindlichkeit der Einrichtung zu erzielen ist. Insbesondere erstreckt sich diese Fläche über die P-Zone und in die JV-Zonen über die Verbindungen hinweg um einen Betrag hinein, der im wesentlichen gleich der Wanderungsweglänge der Löcher ist.

Wie weiter oben angegeben wurde, ist der Dunkelstroim, der durch die Vorspanniungsquelle 12 entsteht, in seiner Größe von den in den verschiedenen Zonen des Körpers in der Minderzahl vorhandenen Ladungsträgern abhängig. Es ist erwünscht, daß dieser Strom klein ist. Daher werden die Zonen 10 A und ioJ5 vorteilhafterweise so hergestellt, daß sie so stark wie möglich A^r-Typ aufweisen, während die Zone Hi so stark wie möglich P-Typ aufweisen soll, wobei selbstverständlich die Dichte der Donator- und Akzeptorverunreinigungen, die als Rekombinationszentren wirken und zu kürzeren Ladungsträgerlebensdauern führen, genügend klein sein muß. Die iV-Zone, die praktisch die nega-

tive Vorspannung aufnimmt (die linke Zone in den

- Figuren), soll vorteilhafterweise einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzen, was einer großen Dichte der Elektronen entspricht, die für die Leitung in der P-Schicht zur Verfügung stehen, wenn das Hindernis durch Lidit verringert wird. Bei A^rPiV-Germanmmkörpern, wie sie in gemäß Fig. n aufgebauten Einrichtungen enthalten sind, haben die JV-Zonen einen spezifisdhen Widerstand in der

ίο Größenordnung von io und ο,οΐ Ohm-Zentimeter. Eine P-Zone mit einem spezifischen Widerstand von ι Ohm-Zentimeter hat sich als günstig herausgestellt.

Arbeitskennlinien von typischen lichtempfindliehen Einrichtungen, wie sie in Fig. 11 gezeigt sind, und die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, sind in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben. Bei beiden Figuren ist der Strom zwischen den Klemmen 14.A und 14S in Abhängigkeit von der an diesen Klemmen liegenden Vorspannung aufgetragen, und zwar für verschiedene Beleuchtungsstärken, die in Lux an die einzelnen Kurven angeschrieben sind. In Fig. 5 ist außerdem die Belastungsgerade für 4000 Ohm eingezeichnet.

Die drei oberen Kurven in Fig. 4 stellen die Strom-Spannungsabnängigkeit bei Beleuchtung der gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers, und zwar der oberen Oberfläche in Fig. 1, durch die Lichtquelle 15 mit den angeschriebenen Beleuchtungsstärken dar. Die Kurven in Fig. 5 zeigen die Abhängigkeit für den Fall, daß das Licht durch die Linse 16 auf die P-Zone und auf die unmittelbar angrenzenden Gebiete der AT-Zonen fokussiert ist, wobei die angegebenem Lichtströme sich auf die Fläche der Linse 16 beziehen, die 25,8 mm² betrug. Die für diese Messungen verwendete Lichtquelle war eine Wolframfadenlampe, die bei einer Farbtemperatur von 2400⁰ K betrieben wurde.

Aus den Fig. 4 und 5 erkennt man, daß die Ströme eine Funktion sowohl der Beleuchtung als auch der Vorspannung sind. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß ein Lichtstrom von 6,2 Millilumen ausreicht, um die iVPiV-Grenzen zu beseitigen. In diesem Falle ist der Strom zwischen den Elektroden 14.A und 14S durch den Ohmschen Widerstand des Germaniums der Zelle begrenzt, der hier etwa 220 Ohm betrug. Insbesondere! ist die hohe Empfindlichkeit bemerkenswert. Bei typischen Einrichtungen ist eine Erhöhung des Stroms von 100 Elektronen pro einfallendes Photon je Sekunde erzielt worden.

Obgleich die Erfindung insbesondere an Hand von Germaniumeinrichtungen und solchen Einrichtungen, bei denen eine P-Zone zwischen zwei N-Zonen liegt, geschildert wurde, kann sie ebensogut bei Siliciumeinrichtungen und bei Photozellen von Silicium oder Germanium, bei denen eine iV-Zone zwischen zwei P-Zonen liegt, zur Anwendung kommen. Ebenso können verschiedene Abänderungen bei der dargestellten und beschriebenen Ausführung vorgenommen werden, ohne daß man dabei vom Wesen und Ziel der Erfindung abweicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtempfindliche Einrichtung mit einem Körper aus Halbleitermaterial, der zwei sichvon einer Oberfläche nach innen erstreckende Zonen von einem Leitfähigkeitstyp aufweist, die durch eine Zwischenzone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp getrennt sind und an diese angrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenzone die Wanderungsweglänge der normalerweise in der Minderzahl in der Zwischenzone vorhandenen Ladungsträger nicht übersteigt, wobei eine Gleichstromvorspannungsquelle an die beiden Zonen 'angeschlossen ist und eine Lichtquelle vorhanden ist, deren Licht auf eine Oberfläche des Körpers gerichtet ist.

2. Lichtempfindliche Einrichtung nach An-Spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenzone einige Zehnteltnillimeter nicht übersteigt.

3. Lichtempfindliche Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

• zeichnet, daß dais Licht der Lichtquelle durch eine Linse auf die Zwischenzone fokussiert wird.

4. Lichtempfindliche Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zonen IV-Leitfähigkeit und die Zwischenzone P-Leitfähigkeit aufweist.

5. Lichtempfindliche Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Einkristallkörper aus Germanium ist, dessen eine Oberfläche, die das Licht der Lichtquelle auffängt, hochgradig poliert ist.

6. Lichtempfindliche Einrichtung nacht einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Germanium besteht.

7. Lichtempfindliche Einrichtung nach einem der Ansprüche·ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Silicium besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen