DE1214340B - Lichtempfindliches Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g -29/01

Nummer: 1214 340

Aktenzeichen: H 48602 VIII c/21 g

Anmeldetag: 22. März 1963

Auslegetag: 14. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement aus einem kristallinen Halbleitermaterial, das mit Donor- und Akzeptorstörstellen so dotiert ist, daß sich eine negative Widerstandscharakteristik ergibt, dessen Durchschlagspannung bei extrem niedrigen Temperaturen von der Lichtstärke einer auftreffenden Strahlung abhängig ist, z. B. Speicherelement für Rechenmaschinen oder elektronisches Schalterelement.

Bei den bekannten lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen der vorstehend genannten Art verringert sich die Durchschlagspannung mit zunehmender Lichtstärke. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zu entwickeln, bei dem dieser für zahlreiche Anwendungsfälle ungünstige Effekt vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den Akzeptor- und Donorstörstellen durch Dotierung oder Einbau von Gitterdefekten ein Fangstellenniveau im Kristall gebildet ist, das zwischen dem Donor- und dem Akzeptorniveau liegt.

Durch diese Maßnahme ergibt sich in einem bestimmten Lichtstärkebereich eine Erhöhung der Durchschlagspannung mit zunehmender Lichtstärke.

Einzelheiten einer weiteren Ausbildung der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 die statische Kennlinie eines bekannten Halbleiterbauelementes mit negativer Widerstandscharakteristik bei extrem niedrigen Temperaturen,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Energieniveaus eines bekannten Halbleiterbauelementes veranschaulicht,

Fig. 4 ein Diagramm, das die Energieniveaus beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement zeigt,

Fig. 5a und 5b vergrößerte perspektivische Ansichten zweier Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lichtstärke und der Änderung der zum Durchbruch führenden kritischen elektrischen Feldstärke für bekannte sowie für erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente.

Es. ist bekannt, daß die Durchschlagspannung V_c einer p-n-p-n-Diode oder eines auf dem Feldeffekt beruhenden negativen Widerstandselementes bei Bestrahlung mit Licht vermindert wird, wie dies in F i g. 1 veranschaulicht ist. Auch bei einem in F i g. 2 Lichtempfindliches Halbleiterbauelement

Anmelder:

Hitachi Ltd., Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Kiichi Komatsubara,
Hirokazu Kurono, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 24. März 1962 (11820)

schematisch dargestellten sognannten »cryosar«, d.h. einem bei extrem niedrigen Temperaturen verwendbaren Halbleiterbauelement mit negativer . Widerstandscharakteristik, wird die kritische Feldstärke E_c, die der Durchschlagspannung entspricht, beim Ansteigen der Lichtstärke vermindert.

Der Grund für diese Verminderung der kritischen Feldstärke E_c ist bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt. Die Erscheinung kann vielleicht in folgender Weise gedeutet werden. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich dabei auf einen Einzelkristall aus Halbleitermaterial des n-Typs.

Wie aus dem Energieniveaudiagramm der F i g. 3 hervorgeht, fallen einige der Elektronen, die durch Lichtstrahlung vom Valenzband 1 zum Leitfähigkeitsband 2 gehoben wurden, auf das Donorniveau 3 und vergrößern die Elektronendichte n_d dieses Niveaus, während die im Leitfähigkeitsband 2 verbleibenden Elektronen auch die Elektronendichte hierin vergrößern, da sie eine beträchtliche Zeit im Leitfähigkeitsband bleiben. Die kritische Feldstärke hängt davon ab, ob die Elektronendichte n_c des Leitfähigkeitsbandes 2 höher oder niedriger als die Elektronendichte n_d des Donorniveaus 3 ist. Demgemäß wird bei den bekannten Halbleiterbauelementen mit negativer Widerstandscharakteristik die kritische Feldstärke^ durch Lichtstrahlung im allgemeinen vermindert, da sich durch eine derartige Strahlung ein Verhältnis n_c > n_d einstellt.

Durch die Erfindung wird nun ein Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik geschaffen, das bei extrem tiefen Temperaturen ver-

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wendbar ist, wobei die kritische Feldstärke durch Feldstärke E_c wurde für verschiedene Lichtstärken

Lichtstrahlung nicht, vermindert, sondern erhöht gemessen, wobei sich die in Fig. 6 dargestellte

wird, solange die Lichtstrahlung eine bestimmte Kennlinie A ergab. Die mit einem üblichen Silicium-

Stärke aufweist. Cryosar erzielte Kurve B ist in F i g. 6 gleichfalls ver-

Ebenso wie bekannte Halbleiterbauelemente weist 5 anschaulicht. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, das erfindungsgemäße Element eine negative Wider- besitzt die Kurve A bei einer Lichtstärke von Standscharakteristik auf, die man durch Verwendung 600 μ Watt/cm² einen Scheitelwert, der einem eines Einzelkristalls aus Halbleitermaterial, wie Ger- 85°/oigen Anstieg der kritischen Feldstärke gegenüber manium, Silicium oder einer Ill-V-Zusammensetzung, der ohne Lichtbestrahlung erzielten kritischen Felderhält, wobei in das Halbleitermaterial Akzeptor- io stärke entspricht,
und Donorstörstellen in geeigneter Menge eingela- . .
gert sind, so daß sich etwa dieselbe Konzentration Beispiel
ergibt. Anders ausgedrückt, wird das Halbleiter- Zur Herstellung eines einfachen Germaniumkrimaterial in üblicherweise mit Akzeptor- und Donor- stalls der Leitungstype wurden dem Germaniummatestörstellen so dotiert, daß sich diese Störstellen 15 rial 5-10¹⁴ Indiumatome pro Kubikzentimeter und gegenseitig kompensieren. Zusätzlich wird jedoch 4-10¹⁴ Antimonatome pro Kubikzentimeter hinzudurch Dotierung oder Einbau von Gittereffekten im gefügt. Gleichzeitig wurde Zink zur Bildung eines Kristall ein Fangstellenniveau 5 gebildet, das zwischen Fangstellenniveaus mit einer Dichte der Zwischendem Donorniveau 3 und dem Akzeptorniveau 4 liegt. raum-Zinkatome von etwa 7-10¹³ Kubikzentimeter

Wie aus Fig.4 hervorgeht, werden einige der 2° hinzugefügt. Das auf diese Weise erhaltene Ger-Elektronen, die vom Valenzband 1 zum Leitfähig- manium-Halbleiterplättchen 8 mit den ungefähren keitsband 2 angehoben werden, auf das Donor- Dimensionen 0,8mm-2mm-2mm (vgl. Fig. 5b) niveau 3 fallen und in diesem Niveau — wie zuvor geschnitten. An gegenüberliegenden Seiten des HaIberläutert — die Elektronendichte erhöhen. Die übri- leiterplättchens 3 wurden Elektroden 9 durch Zugabe gen der auf das Leitfähigkeitsband 2 angehobenen as von Indiumkörnern mit 0,5 mm Durchmesser ausge-Elektronen werden dagegen unverzüglich von diesem bildet. Das so hergestellte Halbleiterelement wurde Leitfähigkeitsband 2 durch das Fangstellenniveau 5 unter Lichtbestrahlung bei durch flüssiges Helium in das Valenzband 1 fallen und sich wieder mit den erzielten, extrem niedrigen Temperaturen in Betrieb zuvor dort gebildeten Löchern vereinigen. Die Elek- genommen. Die Änderung der kritischen Feldstärke tronen, die zunächst auf das Donorniveau 3 fallen, 30 wurde in Abhängigkeit von der Lichtstärke gemesbleiben infolge der Art des Donorniveaus hier vor sen, wobei sich die in F i g. 6 dargestellte Kurve C ihrer Wiedervereinigung mit Löchern langer als die ergab, während die mit einem üblichen Germanium-Elektronen, die sich durch das Fangstellenniveau 5 Cryosar vorliegenden Verhältnisse durch die Kurve D wieder mit den Löchern vereinigen; die zuerst auf veranschaulicht werden.

das Donorniveau 3 fallenden Elektronen haben da- 35 Wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen

her eine längere Lebensdauer als die Elektronen im erläutert, ändert sich die kritische Feldstärke E_c in

Leitfähigkeitsband. Abhängigkeit von der Lichtstärke der Bestrahlung

Wenn daher die Lichtstärke ansteigt, so übersteigt des Halbleiterbauelementes. Diese Änderung der kri-

die Elektronendichte im Donorniveau 3 die Elek- tischen Feldstärke hängt im wesentlichen vom Ver-

tronendichte n_c im Leitfähigkeitsband, so daß die 40 hältnis des Störstellenmaterials ab, das zur Bildung

kritische Feldstärke E_c erhöht wird. des Fangstellenniveaus hinzugefügt wird. Es wurde

Im folgenden werden einige praktische Ausfüh- festgestellt, daß die kritische Feldstärke auf mehr als-

rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. den doppelten Wert ihres ursprünglichen Betrags er-

. -ι-, höht werden kann.

Beispiel 1 _4g Wenngleich bei den vorstehend erläuterten Aus-

Um in einem einfachen Siliciumkristall Akzeptor- führungsbeispielen Zink als Störstellenmaterial zur

und Donorstörstellen in sich gegenseitig kompensie- Bildung des Fangstellenniveaus im Halbleiterkristall

renden Beträgen zur Erzielung einer geeigneten nega- verwendet wurde, so können statt dessen auch

tiven Widerstandscharakteristik zu erhalten, wurden Schwermetalle, wie Nickel, Gold, Eisen oder Thal-

dem Halbleitermaterial 1,2 · 10¹* Boratome pro 5° Hum, benutzt werden. Weiterhin sei hervorgehoben,

Kubikzentimeter und 0,96-10¹⁴ Phosphoratome pro daß ein Fangstellenniveau im Halbleiterkristall auch

Kubikzentimeter zugefügt. Gleichzeitig wurde ein be- durch Einführen von Gitterdefekten, Verschiebun-

sonderes Material, beispielsweise Zink, zur Bildung gen, Zwischenraumatomen oder Atomvakanzen mit-

eines Fangstellenniveaus hinzugefügt, und zwar etwa tels y-Bestrahlung, durch sonstige Bestrahlung oder

5 ·10¹³ Atome pro Kubikzentimeter, so daß ein SiIi- 55 durch mechanische Verformung gebildet werden

cium-Halbleiterbasismaterial des p-Typs entstand. kann.

Das Basismaterial wurde in rechteckige Scheiben 6 Im allgemeinen ist es günstig, wenn die Anschlüsse (vgl. Fig. 5a) mit den ungefähren Abmessungen der Elektroden an das Halbleiterplättchen so herge-1200 μ·2mm·2mm geschnitten. An gegenüberliegen- stellt werden, daß sich niedrige Ohmsche Widerden Seiten der Scheibe wurden nach dem Ultraschall- 60 stände ergeben. Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schweißverfahren durch Golddrähte gebildete nieder- bauelement mit negativer Widerstandscharakteristik ohmige Kontaktelektroden 7 (mit einem Bestandteil kann jedoch als negatives Widerstandelement mit Gallium und einer Stärke von 50 μ und einer Breite zwei Klemmen auch dann befriedigend arbeiten, von 0,5 mm) befestigt. wenn die Elektrodenverbindung eine nichtohmsche

Das so hergestellte Halbleiterbauelement wurde 65 Charakteristik aufweist, solange das Element bei

unter Lichtbestrahlung bei einer mit flüssigem extrem niedrigen Temperaturen benutzt wird.

Helium erzeugten extrem niedrigen Temperatur in Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann

Betrieb genommen. Die Änderungen der kritischen als Matrixeinheit Verwendung finden, da es trotz

seiner begrenzten Abmessungen gegenüber Änderungen der Lichtstärke sehr empfindlich ist; es kann ferner als Speicherelement in einer Digitalrechenmaschine oder als elektronisches Schalterelement benutzt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lichtempfindliches Halbleiterbauelement aus einem kristallinen Halbleitermaterial, das mit Donor- und Akzeptorstörstellen so dotiert ist, daß sich eine negative Widerstandscharakteristik ergibt, dessen Durchschlagspannung bei extrem niedrigen Temperaturen von der Lichtstärke einer auftreffenden Strahlung abhängig ist, z.B. Speicherelement für Rechenmaschinen oder elektronisches Schalterelement, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Akzeptor- und Donorstörstellen durch Dotierung oder Einbau von Gitterdefekten ein Fangstellenniveau (S) im Kristall gebildet ist, das zwischen dem Donor-(3) und dem Akzeptorniveau (4) liegt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsmaterial für die Bildung des Fangstellenniveaus (5) Schwermetalle, wie Zink, Nickel, Gold, Eisen, Thallium od. dgl., verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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