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Insbesondere auf Strahlung ansprechende Halbleiterkristallanordnung
mit p-n-Übergang und den p-n-Übergang gegen Feuchtigkeit schützender Hülle Die vorliegende
Anordnung stellt eine Halbleiterlcri stallaiiordnung finit p-n-tliergang und den
p-n-Übergang gegen Feuchtigkeit schützender Hülle dar und kann besonders vorteilhaft
auf eine auf Strahlung ansprechende Halbleiterkristallanordnung mit p-n-Übergang,
z. B. eine Fotodiode, angewendet werden.
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Es ist bereits bekanntgeworden, die Oberfläche von Halbleiterkristallen
mit scharfen p-n-Übergängen durch eine längs des p-n-Überganges aufgebrachte elektrisch
isolierende, feuchtigkeitsundurchlässige und auf der Kristalloberfläche durch Adhäsion
haftende Schicht, z. B. aus Ouarz oder einem anderen Oxyd, zu überziehen. Durch
diese Maßnahme soll vor allem Feuchtigkeit von den p-n-Übergängen ferngehalten werden,
da man erkannt hat, daß bereits wenige in der Nähe der p-n-Übergänge an der Kristalloberfläche
adsorbierte Wassermoleküle genügen, um die Wirksamkeit von p-n-Übergängen - und
zwar um so stärker, je schärfer diese ausgeprägt sind - zu beeinträchtigen.
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Bei der insbesondere auf Strahlung ansprechenden Halbleiterkristallanordnung,
wie Fotodiode, Fototransistor od. dgl., mit p-n-Übergang und den p-n-Übergang gegen
Feuchtigkeit schützender Hülle ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Hülle
die Kristalloberfläche teilweise frei läßt, indem sie mindestens an einer Seite
des zu schützenden p-n-t.'berganges mit der Oberfläche des Halbleiterkristalls längs
einer in sich geschlossenen, den p-n-Übergang nicht berührenden, die Kristalloberfläche
in zwei Teilgebiete zerlegenden Linie feuchtigkeitsdicht verbunden ist und den Teil
der Kristalloberfläche, an dem der p-n-Übergang zutage tritt, mit Abstand umgibt.
Es soll also die Hülle nicht - wie es bei den bekannten Anordnungen der Fall ist
- die Stellen der Kristalloberfläche. an denen der p-n-Übergang zutage tritt, unmittelbar
berühren, sondern sie soll diese Stellen mit Abstand umgeben. Hierdurch wird ein
viel wirksamerer Schutz des p-n-Überganges gegen die durch Feuchtigkeit bewirkten
Störungen gewährleistet, da bei einer unmittelbar - d. h. ohne Abstand - auf dem
p-n-Crbergang aufliegenden Schutzschicht stets noch mit einem gewissen, wenn auch
abgeschwächten Durchgriff der Dipolfelder der an der Außenseite einer solchen Schutzhülle
haftenden Wassermoleküle auf das innere Feld des p-n-Überganges gerechnet werden
muß. Besteht der Halbleiterkristall aus Silizium oder Germanium, so ist ein besonderer
Korrosionsschutz für die übrigen Teile der Kristalloberfläche entbehrlich. Solche
Halbleiterkristalle sind praktisch nicht korrosionsanfällig. Außerdem würde bei
einem Siliziumkristall eine einmal entstandene Korrosionsschicht, die naturgemäß
aus Oxyden des Siliziums besteht, den Schutz des Halbleiterkristalls gegen weitere
Korrosion ebenso wirkungsvoll wie eine künstlich aufgebrachte Quarzschicht versehen.
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Zu dem gemäß der Erfindung angegebenen Weg sind verschiedene Ausführungsformen
möglich. Falls z. B. der p-n-Übergang als eine sich quer durch den Halbleiterkristall
erstreckende Fläche ausgebildet ist, kann die Hülle als ringförmiger Wulst den Halbleiterkristall
längs des p-n-UTberganges umgeben, wobei die beiden Enden des Kristalls unbedeckt
bleiben, oder sie kann als eine das eine Ende des Kristalls (bis einschließlich
derjenigen Oberflächenteile, an denen der p-n-Übergang zutage tritt) umhüllende
Haube ausgebildet sein. Tritt der p-n-Ubergang nur an einer Fläche des Kristalls
zutage, so kann die Hülle als ebener ringförmiger Wulst auf der betreffenden Kristallseite
aufsitzen oder als Haube ausgebildet sein, welche auf dieser Kristallfläche sitzt.
Am einfachsten wird man den Kristall an denjenigen Stellen, an denen der p-n-Übergang
die Oberfläche erreicht, rillenförmig ausätzen und diese Rille dann mit einer Haut
aus elektrisch isolierendem, aushärtendem Kunststoff überziehen, der an der Kristallfläche,
ohne in die Rille einzudringen, feuchtigkeitsdicht haftet, oder man wird die Rille
mit einer Folie aus isolierendem Stoff überspannen und dann diese z. B. mittels
eines Isolierlackes festkleben.
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Um derartig geschützte Halbleiterkristalle mit Kontaktanschlüssen
zu versehen, können bei Anwendung. einer isolierenden Hülle die beiderseits des
p-n-berganges liegenden Zonen an dem von der Hülle nicht bedeckten Oberflächenteil
dieser Zonen kontaktiert sein. Ist die Hülle dagegen als Haube
ausgebildet,
so schließt sie naturgemäß mindestens eine zu kontaktierende Zone des Kristalls
vollständig vom Außenrahm ab. Dann muß die elektrische Zuführung zu dieser Zone
feuchtigkeitsdicht durch die isolierende Hülle hindurch erfolgen. Gegebenenfalls
wird man die Hülle auch ganz oder teilweise aus leitendem Stoff, z. B. einem Metall,
welches die Eigenschaften des Halbleiterkristalls, insbesondere dessen Leitungstypus
und Widerstandswert, nicht beeinflußt, fertigen. Für diesen Fall sieht eine Fortbildtnig
der Erfindung vor, daß die an einer Verbindungsstelle mit dem Halbleiterkristall
aus leitendem Stoff bestehende Hülle mit dem Halbleiterkristall z. B. durch Anlöten
oder Einlegieren in elektrisch leitendem Kontakt steht. Wenn die Hülle an zwei beiderseits
des p-n-Überganges liegenden verschiedenen Zonen des Kristalls leitend angeschlossen
ist, muß die mit den Zonen beiderseits des p-n-Überganges elektrisch verbundene,
an den Berührungsstellen mit dem Kristall aus leitendem Stoff bestehende Hülle einen
isolierenden Ring besitzen, durch den ein Kurzschl_uß zwischen den beiden Zonen
vermieden ist. Ist die Hülle in Form einer Haube ausgebildet, die eine oder gegebenenfalls
auch mehrere Zonen des Kristalls vom Außenraum abschließt, so wird man die durch
die Hülle völlig vom Außenraum abgeschlossene Zone eines Leitungstypus über eine
isoliert und feuchtigkeitsdicht durch die Hülle geführte Zuleitung kontaktieren.
Der Hauptvorteil in der Verwendung einer Hülle aus leitendem Stoff liegt darin,
daß die Hülle bzw. die durch den Isolierring getrennten Zonen als Elektroden dienen
können.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Schutzhülle als einen Teil der
Halbleiterkristalloberfläche feuchtig-.1, itsdicht abschließendes Gehäuse ausgebildet
ist und oinit gleichzeitig imstande ist, den mechanischen Schutz von besonders empfindlichen
Teilender Anordnung zu übernehmen. Diese Maßnahme entsprechend einer zweckmäßigen
@A'eiterentwicklung ist vor allem bei Fotodioden, Fototransistoren und anderen auf
Strahlung ansi)rechenden Halbleiterkristallanordnungen vorteilhaft. da sie eine
im Vergleich zu den bisher bekannten Anordnungen dieser Art wesentlich vereinfachte
Bauart ermöglicht. Bei solchen Anordnungen ist es üblich, den Halbleiterkristall
zum Schutz gegen Korrosion und mechanische Beschädigung im Innern eines festen,
strahlungsundurchlässigen Gehäuses anzubringen, welches - um der anzuzeigenden oder
zu messenden Strahlung den Zutritt zu dem strahlungsempfindlichen p-n-Übergang zti
ermöglichen - mit einer Lichtöffnung versehen ist. Diese wird z. B. mittels einer
nuarzplatte, einer Sammellinse oder - zwecks Erreichung einer bestimmten Spektralempfindlichkeit
- durch optische Filter möglichst vakuumdicht abgeschlossen. Abgesehen von dem zuletzt
genannten Fall bedeutet eine solche Maßnahme stets eine unnötige und häufig unerwünschte
Beeinträchtigung der zu messenden Strahlung, insbesondere durch Absorptions- und
Reflexionsverluste, und eine erhebliche Verteuerung der Anordnung. Demgemäß behandelt
eine spezielle Fortbildung der Erfindung - um diese .Nachteile zu vermeiden - eine
Halbleiterkristallanordnung, bei der der Halbleiterkristall, insbesondere der p-n-lülbergang,
strahlungsempfindlich ist und der Kristall mindestens an einem von der Hülle frei
gelassenen Oberflächenteil bis zum p-n-Übergang strahlungsdurchlässig ist. Insbesondere
ist daran gedacht, daß der Halbleiterkristall eine zum Eintritt von Strahlung dienende
Öffnung des Gehäuses feuchti-keitdicht gegen den Außenraum abschließt -und der p-n-Übergang
innerhalb des Kristalls möglichst nahe an dem dem Außenraum zugewandten Teil der
Kristalloberfläche verläuft. Es wird also entsprechend dieser Weiterentwicklung
auf einen besonderen Al)-schluß der Lichtöffnung durch ein Quarzienter od. dgl.
verzichtet und der Kristall derart im !Teliäu.e angeordnet, daß er die zum Eindringen
der Strahlung dienende Lichtöffnung - gegebenenfalls unter Anwendung eines Kitt-
oder Bindemittels - feuchtigkeitsdicht abschließt und die Stellen der Kristalloberfläche,
an denen der p-n--Übergang zutage tritt, infolge des feuchtigkeitsdichten Anschlusses
des Kristalls an die Hülle, im Innern des von Kristall und Hülle gebildeten strahlungsundurchlässigen
und feuchtigkeitsdichten Gehäuses vollkommen gegen den Zutritt von Feuchtigkeit
geschützt sind.
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Falls das Gehäuse aus einem mit dem Halbleiterkristall legierbaren,
dessen Eigenschaften nicht beeinträchtigenden Metall besteht, wird man einfach den
Halbleiterkristall durch Einlegieren mit dem Rand der Lichtöffnung verbinden. Das
Gehäuse bildet dann gleichzeitig die eine Elektrode der Anordnung. Weitere Elektroden
des Systems werden über isoliert durch das Gehäuse geführte Zuleitungen angeschlossen.
Da der Halbleiterkristall bis zum p-nt1tiergang durchlässig für die zu messende
Strahlung sein muß, kann die auf die Kristalloberfläche auftreffende Strahlung zu
dem lichtempfindlichen p-n-Übergang vordringen, worauf die Anordnung in bekannter
Weise entweder als Generator oder als strahlungsempfindlicher Widerstand anspricht.
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Die Vorteile der Bauart von Fotozellen unter Benutzung dieser Maßnahme
der Erfindung sind bereits angedeutet, nämlich eine wesentlich vereinfachte Bauart
und der Fortfall der durch ein O_uarz- oder Glasfenster bedingten Strahlungsverluste.
Durch den Fortfall eines solchen Fensters können Fotozellen gemäß der Erfindung
auch zum Nachweis bzw. zur Messung von Strahlung verwendet werden, die ein solches
Fenster nicht passieren kann. Ist die Fotozelle für die Messung optischer Strahlung
bestimmt, so läßt sie sich noch weiter verbessern, indem mindestens die mit dem
Außenraum unmittelbar in Berührung stehende Kristallfläche mit einem aufgedampften
Antireflexbelag vergütet ist. Will man dagegen eine bestimmte Spektralempfindlichkeit
erzielen, so wird man die Außenseite des Kristalls mit einem selektiv wirkenden
Überzug oder mit einem aufgeklebten oder aufgekitteten Filter versehen. Gegebenenfalls
kann man, wenn Strahlungsverluste keine Rolle spielen, den Kristall auch an der
dem Außenraum zugewandten Seite mit einem durchsichtigen Schutzüberzug versehen.
Bei Benutzung von Silizium- oder Gerinaniumkristallen ist, wie bereits festgestellt,
eine solche Malinahme nicht erforderlich.
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Die Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Fotodiode entsprechend der Erfindung
als Beispiel. Al: lichtempfindliches Element dient ein durchsichtiges n-leitendes
Germaniumeinkristallblättchen 1, das durch Einlegieren einer Indiumperle 2 mit einem
lichtempfindlichen p-n-Übergang 3 versehen ist. Das Gehäuse der Anordnung besteht
teilweise aus einem Röhrchen aus Metall oder einem isolierenden Stoff, wie Keramik.
Der Halbleiterkristall 1 ist in der Nähe der einen Öffnung des Röhrchens angeordnet
und kann mit dem einen Rand des Röhrchens z. B. durch Einlegieren oder vermittels
einer Kittmasse feuchtigkeitsdicht verbunden sein. In der Anordnung gemäß der Fig.
1 ist jedoch vorgesehen, daß der Halbleiterkristall 1 mit dem einen Rand des Röhrchens
4 über ein metallisches,
ringförmiges, als eine Elektrode des Systems
dienendes Zwischenstück 5, z. B. aus einer vergoldeten oder verzinnten Eisen-N ickel-Kobaltlegierung
mit 29°/o Nickel und 17°/o Kobalt, feuchtigkeitsdicht verbunden ist. Dieses Zwischenstück
5 ist dabei so in das Kristallblättchen 1 einlegiert und mit dem Rand der einen
Öffnung des Röhrchens 4 verlötet, daß die Verbindung feuchtigkeitsundurchlässig
ist. Der Isristall 1 ist dabei so befestigt, daß die Indiumperle 2 und der p-n-Übergang
3 sich im Innern des so gebildeten Gehäuses befinden, ohne mit demselben in Berührung
zu kommen. Das Röhrchen 4 ist an dem dem Kristall abgewandten Ende durch einen Glastropfen
7 vakuumdicht verschmolzen, durch den die Zuleitung 6 zu der im Innern des Röhrchens
befindlichen, in den Germaniumkristall einlegierten Elektrode 2 dicht verschmolzen
hindurchgeführt ist. Als zweite Elektrode dieser Fotozelle dient die Indiumperle
2, die mit einer Zuleitung, z. B. einem Metallstift 6, verlötet ist, der konzentrisch
durch die zweite, mit dem Glastropfen 7 verschlossene Öffnung des Röhrchens 4 herausgeiührt
ist.
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Eine andere Ausführungsform wird in der Fig.2 beispielsweise dargestellt.
Hier ist der p-n-Übergang 3 des Halbleiterkristallblättchens 1 durch Diffusion erzeugt
und befindet sich in der Nähe der dem Außenraum zugewandten Seite des Blättchens,
das in einem Keramikröhrchen 4 angeordnet ist. Die Ränder dieses Röhrchens sind
metallisiert, und der eine Rand ist mit dem Kristallblättchen 1 über ein ringförmiges
Zwischenstück 5, ähnlich wie bei der vorher beschriebenen Anordnung, vakuumdicht
verbunden, und zwar derart, daß es an der Oberseite des Kristalls einlegiert ist,
so daß der seitlich die Kristalloberfläche erreichende p-n-Übergang geschützt im
Innern des so gebildeten Gehäuses liegt. Bei dieser Anordnung ist da, aus Keramik
oder einem anderen isolierenden Stoff bestehende Röhrchen 4 an dem dem Halbleiterkristall
1 abgewandten Ende durch eine stempelartig ausgebildete Elektrode 26, die an der
im Innern des Gehäuses liegenden Zone des einen Leitungstypus kontaktiert ist. feuchtigkeitsdicht
abgeschlossen. Dieser feuchtigkeitsdichte Abachluß kann durch Verlötung der Elektrode
26 mit dem metallisierten Rand des Keramikrohres 4 erfolgen.
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Eine weitere Ausführungsform, die besonders für großflächige Fotodioden
gedacht ist, ist in Fig.3 beispielsweise dargestellt. Dabei besteht das Gehäuse
für den großflächigen Halbleiterkristall l aus einem Ringstück 45, das mit dem einen
Rand mit dem Halbleiterkristall 1 und mit dem anderen Rand mit einer Metallplatte
9 feuchtigkeitsdicht abgeschlossen ist und die Zuleitung zu einer im Innern des
Gehäuses liegenden Elektrode 2 isoliert durch die Metallplatte 9 hindurchgeführt
ist. Das Ringstück 45 übernimmt die Rolle des Kontaktringes 5 und Röhrchens 4 bei
den vorher beschriebenen Anordnungen und ist mit dem Rand mit dein die Öffnung des
Ringstückes vollkommen abschließenden großflächigen Halbleiterkristall 1 verbunden,
so daß dessen p-n-Übergang 3 geschützt im Innern des so gebildeten Gehäuses liegt.
Die Metallplatte 9 ist in der Mitte durchbrochen, um die Zuleitung 6 zu der die
vollständig im Innern des Gehäuses liegende Zone unterhalb des p-n-Überganges des
Halbleiterkristalls kontaktierenden Elektrode 2 zu ermöglichen. Diese Kontaktierung
ist durch einen Metalldraht 6 vorgenommen, der in einem Glastropfen 7, der die Platte
feuchtigkeitsdicht abschließt, eingeschmolzen ist. Die beschriebenen Ausführungsformen
der Anordnung gemäß der Erfindang hesitzen nur einen zu schützenden p-n-iTbergang.
Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß eine die teilweise frei lassende Hülle
ebenfalls auch zwei oder mehrere p-n-Übergänge gleichzeitig gegen Feuchtigkeit zu
schützen vermag, wobei dann mindestens eine zwischen zwei p-n-Übergängen liegende
Zone durch die Hülle vollständig vom Außenraum abgeschlossen ist. Die elektrische
Zuführung zu dieser Zone - falls eine solche erforderlich ist - muß dann durch die
Hülle feuchtigkeitsdicht hindurchgeführt sein, und im Falle einer leitenden Hülle
ist durch entsprechende Isolationsmaßnahmen ein Kurzschluß zwischen den einzelnen
Zonen des Kristalls zu vermeiden.
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Ein einfaches Beispiel, bei dem eine isolierende Hülle aus einem Keramikröhrchen
Verwendung findet, ist in Fig. 4 dargestellt. Sie zeigt einen zylindrischen Halbleiterkristall
1, bestehend aus drei quer zur Zylinderachse verlaufenden Zonen unterschiedlicher
Leitfähigkeit. Der Kristall ist an der Oberfläche der mittleren Zone und an den
beiden p-n-Übergängen ausgeätzt, so daß eine geschlossene, um den Kristall senkrecht
zu seiner Achse herumlaufende rillenartige Vertiefung entstanden ist, die von der
mantelartigen Hülle 10, die an den nicht von der Ausätzung betroffenen Teilen der
Oberfläche der beiden äußeren Zonen feuchtigkeitsdicht befestigt ist. Die Hülle
umgibt also die mittlere Zone und die beiden begrenzenden p-n-Übergänge mit Abstand.
Die isolierende Hülle 10 besteht aus einem an den Rändern metallisierten Keramikröhrchen
mit einem an den Durchmesser des Kristalls angepaßten lichten Durchmesser und ist
über die Metallisierung mit der Oberfläche des Kristalls an den beiden äußeren Zonen
feuchtigkeitsdicht befestigt. Die elektrische 'Zuführung 6 zur mittleren Zone des
Kristalls 1 wird durch eine seitliche Öffnung des Keramikröhrchens 10 geführt, welche
dann mittels eines Glas- oder Metalltropfeiis 7 feuchtigkeitsdicht verschlossen
wird. Die Kontaktierung der beiden äußeren Zonen wird in an sich bekannter Weise
an den von der Hülle nicht bedeckten Oberflächenteilen vorgenommen.