DE1214806B - Photoempfindlicher Feld-Effekt-Unipolar-transistor und seine Betriebsschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g - 29/10

Nummer: 1214 806

Aktenzeichen: J19162 VIII c/21 g

Anmeldetag: 16. Dezember 1960

Auslegetag: 21. April 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf lichtempfindliche Halbleitervorrichtungen, insbesondere auf solche vom Feldeffekttyp. In der Halbleitertechnik kennt man bereits seit langem die Erscheinung der Photoleitung. Es wurden auch Photodioden in Form von Spitzen- und Flächendioden hergestellt, bei denen sowohl das Ziehverfahren als auch die Legierungsmethode zur Anwendung gelangten. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen bewirkt ein auf eine PN-Schicht einwirkender Lichtstrom eine Änderung des die Schicht durchsetzenden Stromes. Die erzielten Empfindlichkeiten liegen bei Werten bis zu 30 mA/Lumen. Wenn diese Empfindlichkeit auch für die meisten Zwecke ausreicht, so gibt es doch in der Elektronik-Anwendungsgebiete, die eine höhere Empfindlichkeit wünschenswert erscheinen lassen.

Weiterhin wurden auch Phototransistoren sowie Sperrschichtphotoelemente zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie bekannt. Bei den genannten Bauelementen ist der im folgenden näher beschriebene Effekt im allgemeinen am Leitungsmechanismus unbeteiligt.

Bekannt sind ebenfalls Feldeffekttransistoren. Eine solche Vorrichtung besteht gewöhnlich aus einem schmalen halbleitenden Stäbchen, dessen für den Leitungsvorgang effektiv ausnutzbarer Querschnitt durch ein elektrisches Feld beeinflußt wird. Das Stäbchen wird beiderseits von zwei Halbleiterstücken entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingeschlossen. Der von dem elektrischen Feld zu beeinflussende Strom durchfließt das Halbleiterstäbchen in axialer Richtung. Im folgenden sei das eine Ende des Stäbchens mit »Quelle«, das andere mit »Senke« bezeichnet. Bei einem gewissen kritischen Wert der Vorspannung wachsen die beiden Erschöpfungszonen der an den Seiten des Halbleiterstäbchens befindlichen Trennschichten derart an, daß eine Überlappung dieser Zone stattfindet. Der Stromfluß durch das Halbleiterstäbchen ist dann praktisch völlig unterbunden. Derartige Vorrichtungen weisen einige nützliehe Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Spitzen- oder Flächentransistoren ergeben sich eine hohe Eingangsimpedanz, eine ebenfalls ziemlich hohe Ausgangsimpedanz, gutes Hochfrequenzverhalten sowie eine geringe innere Rückwirkung zwischen Ein- und Ausgang.

Die genannten Vorteile ergeben sich bei einem photoempfindlichen Unipolartransistor, der aus einer dünnen, in Richtung der größten Ausdehnung von einem Strom durchflossenen Schicht aus Halbleitermaterial eines Leitungstyps besteht, deren eine große Oberflächenseite zur Erzeugung von Ladungsträgern Photoempfindlicher Feld-Effekt-Unipolartransistor und seine Betriebsschaltung

Anmelder:

Internationale Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Edward Maxwell Davis jun.,.
Poughkeepsie, Dutchess, N. Y. (V. St. A₁)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. Dezember 1959
(860 466)

mit Licht bestrahlt wird, nach der Erfindung dadurch, daß die andere, große Seite der dünnen Schicht an ein Gebiet aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps unter Bildung einer Sperrschicht angrenzt, deren durch eine Vorspannung erzeugtes elektrisches Feld vermöge der Ausbildung einer Erschöpfungszone den durch die dünne Schicht (JV) fließenden Strom steuert.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß bei dem Gegenstand der Erfindung im Gegensatz zu bereits bekannten Feldeffekttransistoren die Erschöpfungszone sich zwischen der halbleitenden Schicht und einem lediglich einseitig angrenzenden Halbleitergebiet entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausbildet, dessen Zuleitung im folgenden mit Steuerelektrode bezeichnet sei. Wegen dieser Anordnung und der geringen Dicke der Schicht stellt die Erschöpfungszone sozusagen einen Oberflächeneffekt dar. Von außerordentlicher Wichtigkeit ist weiterhin die Dicke der Schicht. Ist die Dicke geringer als die freie Weglänge der Ladungsträger, so bedeutet dies, daß die von der Lichteinstrahlung erzeugten Elektronen-Lochpaare nicht vor ihrem Wirksamwerden rekombinieren können, wodurch die hohe Empfindlichkeit des Unipolartransistors nach der Erfindung erzielt wird. Es zeigt

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3 4

F i g. 1 einen Transistor nach der Erfindung, niedrigen Widerstandes um den PN-Übergang herum

F i g. 2 die Kennlinien des Transistors nach F i g. 1, zu entfernen. Das schwarze Wachs bleibt durch das

F i g. 3 die Abhängigkeit des Stromes durch die Ätznatron relativ unbeeinflußt. Nach diesem Schritt

Sperrschicht von der Steuerspannung des Tran- kann das schwarze Wachs durch Auflösung in einem

sistors nach F i g. 1 bei Belichtung und unbelichtet, 5 geeigneten Lösungsmittel, wie z. B. Trichloräthylen,

F i g. 4 eine Betriebsschaltung des Feldeffekttran- entfernt werden. Der Kanalbereich des photoempfind-

sistors nach F i g. 1, liehen Feldeffekttransistors wird dann dadurch ge-

F i g. 5 eine Betriebsschaltung des Transistors nach bildet, daß die Vorrichtung 17 Sekunden lang in einer

F i g. 1 zur Lichtverriegelung. Ätzlösung geätzt wird, die besonders zur Ätzung von

F i g. 1 zeigt den Feldeffekttransistor nach der Er- i° Germanium dient. Diese Lösung kann aus 5 Volumfindung. Der Transistor besteht in dem gezeigten Bei- teilen 70%iger Salpetersäure, 3 Teilen Eisessig und spiel aus einem Körper 1 aus Halbleitermaterial vom 3 Teilen 43°/₀iger Fluorwasserstoffsäure bestehen. Ein P-Leitfähigkeitstyp, der an eine Schicht aus Halb- in der beschriebenen Weise hergestellter Transistor leitermaterial 2 vom N-Typ angrenzt. An den P-HaIb- wies folgende Eigenschaften auf: die Steilheit
leiter ist eine Elektrode 3 zur Steuerung angeschlossen. 15

Der Steuerelektrode 3 wird eine Spannung V zu- ^ *'<* _ a — 13 Mitmc^mmc

gefuhrt. An das obere Ende des N-Halbleitermatenals Δ v_g
ist eine Elektrode 4 elektrisch angeschlossen, und eine

weitere Elektrode 5 ist an die untere Seite des N-Ma- der Steuersättigungsstrom = 0,8 μ,Α und der an-

terials angeschlossen. Der Teil 6 zwischen den ohm- 20 nähernde Flächeninhalt des Kanals = 4,8 · 10~⁴ cm²,

sehen Elektroden 4, 5 ist sehr dünn. Der aus den F i g. 3 zeigt Kurven, welche das Verhalten des

Hauptelektroden 4, 5 fließende Strom ist mit i_a Feldeffekttransistors bei Belichtung darstellen. In

bezeichnet. diesen Kurven ist der Strom i_g durch den PN-Über-

Der durch angelegte Vorspannung zwischen der gang in Abhängigkeit von der Steuerspannung Vg Steuerelektrode 3 und der Elektrode 5 und durch den 25 dargestellt. Es kann mathematisch gezeigt werden, ohmschen Abfall im Kanal 6 erzeugte Erschöpfungs- daß die an den Hauptelektroden liegenden Spannungen bereich im N-Halbleitermaterial beeinflußt die wirk- nur eine geringe Wirkung auf das Ansprechen des same Leitfähigkeit des Kanals 6. Dadurch hat der PN-Übergangs bei Belichtung haben. Die F i g. 3 Transistor die in F i g. 2 dargestellten Kennlinien. zeigt den Strom ig mit und ohne Belichtung. In beiden F i g. 2 zeigt den Hauptstrom ia in Abhängigkeit von 30 Fällen ist der PN-Übergangsstrom ig bei allen Steuerder Spannung V& für verschiedene Werte der Steuer- spannungswerten ziemlich konstant. Die Differenz spannung V₉. Wenn V₉ gleich einem kritischen des PN-Übergangsstromes zwischen dem belichteten Wert Vgc ist, fließt sehr wenig Strom durch die Schichtö und dem nicht belichteten Zustand sei mit Ai₉ beunabhängig von der an die Hauptelektroden an- zeichnet.

gelegten Ableitspannung Vg,. Bei diesem kritischen 35 F i g. 4 zeigt eine Betriebsschaltung des photo-

Wert der Steuerspannung ist der Erschöpfungsbereich empfindlichen Feldeffekttransistors. Ein Feldeffekt-

im N-Halbleitermaterial so weit ausgebildet, daß ein transistor 40 hat eine Steuerelektrode 41, die durch

sehr geringer Strom durch den Kanal 6 fließt. Die einen Steuerwiderstand 42 an eine Vorspannungs-

in F i g. 2 gezeigten Kennlinien ähneln stark den quelle 43 angeschlossen ist. Die Vorspannungsquelle

Kennlinien einer Pentoden-Vakuumröhre, dement- 40 ist zwischen der Steuerelektrode 41 und der Elek-

sprechend bestehen gewisse Ähnlichkeiten zwischen trode 44 angeschlossen. Die Elektrode 45 ist über

dem Feldeffekttransistor und einer solchen Röhre. einen Lastwiderstand 46 an eine Spannungsquelle 47

Ein photoempfindlicher Feldeffekttransistor, wie er angeschlossen. Ein Bereich 48 des Feldeffekttransistors

in F i g. 1 gezeigt ist, kann wie folgt aufgebaut werden: . wird durch eine Lichtquelle belichtet.

Man geht aus von einem Plättchen aus Germanium 45 Die Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 4 und

vom P-Typ mit 4 Ohm · cm, das etwa 0,9 mm lang die Art in der man eine hohe Empfindlichkeit für

und 0,1 mm dick ist. Auf einer Oberfläche dieser auffallendes Licht erreicht, lassen sich am besten

Platte befindet sich eine vom N-Leitfähigkeitstyp im mathematisch darstellen. Die Spannung an der

Diffusionsverfahren aufgebrachte Schicht mit einer Steuerelektrode 41 ist durch den Ausdruck

Tiefe von 0,0035 cm. Die Haupt- und Steuerelektroden 50 V=V IR (ΐ)

sind an die Platte anlegiert. Die eine Hauptelektrode ⁹ ~ ^{Go β s}
besteht aus einer Scheibe, die mit dem N-Bereich in gegeben, wobei V₃ gleich der Spannung an der Elekherkömmlicher Weise dadurch verbunden ist, daß die trode 41, Vg₀ gleich der Spannung der Quelle 43, Einheit auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der ig gleich dem PN-Übergangsstrom und R₃ gleich dem Zinnüberzug schmilzt und die Scheibe fest mit der 55 Wert des Widerstands 42 ist. Wird der PN-Übergang Germaniumoberfläche verbindet. Diese Scheibe besteht belichtet, entsteht eine Änderung im PN-Übergangsvorzugsweise aus Nickel, das mit einem Zinn-Blei- strom, die mit Ai₉ bezeichnet wird. Dadurch wird die Überzug versehen ist. Die Hauptelektrode 5 ist eine Spannung V₉ infolge des verstärkten Spannungs-Kugel mit 12,5 · ΙΟ-³ cm Durchmesser aus einer abfalls über den Widerstand 42 verändert. Daraus Blei-Antimon-Legierung, die etwa 90°/₀ Blei und 60 folgt:

10%Antimon enthält. Das Kügelchen wird in be- AV_g = RgAl₉. (2)

kannter Weise an den N-Bereichanlegiert und bildet _π Änderung in der Steuerspannung bewirkt

einen ohmschen Kontakt Die Steuerelektrode is ein _{danQ wiederum} |_Qe ^ ^ g^e i_ä wie

Indiumkugelchen, das an den P-Bereich anlegiert ist, folgt·

so daß ebenfalls ein ohmscher Kontakt entsteht. Dann 65 ™' _Λ . _ _{Λν r} __ „ „ _Λ . _rv.

wird schwarzes Wachs oben auf die Einheit gelegt, Δι_α - uVgb_m - K_glx_mAi_g, (j)

und der PN-Übergang wird 15 Sekunden lang bei wobei Aia gleich der Änderung des Stromes, AV_g

0,5 Amp. in Ätznatron geätzt, um das Material gleich der Änderung in der Steuerspannung, G_m

gleich der Steilheit des Feldeffekttransistors, R₉ gleich dem Wert des Widerstandes 42 und Δ i_g gleich der Änderung des PN-Übergangsstromes ist.

Die Steilheit eines Feldeffekttransistors, wie z. B. des hier gezeigten, beträgt etwa 1000 Mikrosiemens. Der Wert des Widerstandes 42, R_g, kann etwa zu 3,3 Megohm gewählt werden. Ein typischer PN-Übergang der gezeigten Art hat eine Empfindlichkeit für auffallendes Licht von 30 mA/Lumen. Unter Verwendung der vorstehenden Werte kann die Empfindlichkeit der vorliegenden Schaltung für auffallendes Licht wie folgt berechnet werden:

Durch eine geringe Abwandlung der Gleichung (3) erhält man

ΔΦ

ΔΦ

= 3,3 · 10⁶ · 1000 · 10-⁶ = 3,3 · 10⁶ · 1000 · 10~⁶ · 30 · ΙΟ"³ = 100 A/Lumen. (4)

Dabei bedeutet Φ den in Lumen gemessenen Lichtstrom. Eine Empfindlichkeit von 100 A/Lumen, wie man sie mit der vorliegenden Schaltung erhält, ist etwa gleich der Empfindlichkeit eines guten Bild-Verstärkers und etwa lOOmal so groß wie die Empfindlichkeit des besten Phototransistors.

Bei der Schaltung yon F i g. 4 ist der Ableitstrom u sehr stark vom PN-Übergangsstrom i_g abhängig, der in Germaniumvorrichtungen extrem temperaturabhängig ist. In bestimmten Anwendungen ist es daher äußerst vorteilhaft, die Feldeffekttransistoren aus Silizium anstatt aus Germanium herzustellen.

Diese photoempfindlichen Feldeffekttransistoren, können z. B. auch bei Vorrichtungen zur Kartenabfühlung und bei »lichtlogischen Schaltungen« angewendet werden. Die »Lichtlogik« ist eine Technik, durch die die Übertragung zwischen logischen Schaltungen sowohl durch Licht als auch durch Ströme über leitende Verbindungen erfolgt. Ein Beispiel für eine lichtlogische Schaltung ist die in F i g. 5 gezeigte Lichtverriegelung. Gemäß F i g. 5 ist die Steuerelektrode 51, eines photoempfindlichen Feldeffekttransistors 50 über einen Steuerwiderstand 52 an eine Vorspannungsquelle 53 angeschlossen. Die Vorspannung 53 ist zwischen der Steuerelektrode 51 und der Elektrode 54 angelegt. Steuerimpulse werden durch einen anderen Steuerwiderstand 55 an die Steuerelektrode 51 angelegt. Die Elektrode 56 des photoempfindlichen Feldeffekttransistors 50 ist über einen Lastwiderstand 57 mit einer Spannungsquelle 58 verbunden. An den Lastwiderstand 57 ist eine Neon-Entladungslampe 59 angeschlossen. Es kann aber auch eine Glühlicht- oder eine Elektrolumineszenzquelle verwendet werden. Die Neonlampe 59 ist so angeordnet, daß bei Einschaltung ihr Licht auf den Kanalbereich 60 der Vorrichtung 50 auffällt.

Die Schaltung von Fig. 5 arbeitet wie folgt: Zunächst ist die Einheit abgeschaltet und die Neonbirne 59 ausgeschaltet. Zu diesem Zweck ist das Potential der Vorspannungsquelle 53 größer als der Wert, der nötig ist, um den Feldeffekttransistor 50 im »abgeklemmten« Zustand zu halten. Wenn der Klemme 51 ein positiver Steuerimpuls über den Steuerwiderstand 55 zugeführt wird, wird der Kanalbereich 60 zwischen den Elektroden 56 und 54 leitend. Es fließt Strom durch den Lastwiderstand 57, und die Neonlampe 59 wird eingeschaltet. Die Belichtung von der Neonlampe 59 hält den Feldeffekttransistor 50 nach Wegnahme des Steuerimpulses im gesättigten Zustand. Die Einheit kann wieder abgeschaltet werden durch die Anlegung eines negativen Steuerimpulses über den Widerstand 55, durch Unterbrechung der Spannung 58 oder durch Unterbrechung des Lichtpfades zwischen der Neonbirne 59 und dem Kanal 60.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Photoempfindlicher Unipolartransistor, der aus einer dünnen, in Richtung der größten Ausdehnung von einem Strom durchflossenen Schicht aus Halbleitermaterial eines Leitungstyps besteht, deren eine große Oberflächenseite zur Erzeugung von Ladungsträgern mit Licht bestrahlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere große Seite der dünnen Schicht (N) an ein Gebiet (P) aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps unter Bildung einer Sperrschicht angrenzt, deren durch eine Vorspannung erzeugtes elektrisches Feld vermöge der Ausbildung einer Erschöpfungszone den durch die dünne Schicht (N) fließenden Strom steuert.

2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht N-leitend ist.

3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Ausgangskontakt aus einem Nickelplättchen mit einem Zinn-Blei-Überzug besteht.

4. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein anderer Ausgangskontakt aus einem Kügelchen aus Blei-Antimon hergestellt ist.

5. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme (3) aus einem Indiumkügelchen hergestellt ist.

6. Verwendung eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als bistabiles Schaltglied in einer lichtlogischen bzw. Lichtverriegelungsschaltung.

7. Betriebsschaltung mit einem Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (43) im Steuerkreis so groß ist, daß in der dünneren Schicht (N) ein Erschöpfungsbereich entsteht.

8. Betriebsschaltung mit einem Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Vorspannung (43) ein ohmscher Widerstand (42) von der Größenordnung von Megohm liegt.

9. Betriebsschaltung mit einem Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrom eine Lichtquelle paarbildender Strahlung beeinflußt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 021 097, 1 033 333, 039 149, 1 039 564, 1 054 586;
»Zeitschrift für Physik«, 132 (1952), S. 261 bis 284.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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