DE1614570C

DE1614570C - Halbleiterphotoelement

Info

Publication number: DE1614570C
Authority: DE
Inventors: Berat Dr 8520 Erlangen Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-04-29

Description

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Das Hauptpatent betrifft ein Halbleiterphotoelement Nadeln haben, können aber auch flächig ausgebildet

mit photoelektromagnetischem Effekt, dessen Halb- sein.

leiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Rieh- An Hand einiger Figuren und eines bevorzugten

tung des darin durch den photoelektromagnetischen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläu-

Effekt erzeugten Stromes ausgerichteten, elektrisch 5 tert werden.

besser leitenden Bereichen versehen ist. Die Bereiche F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel können dabei speziell aus einer zweiten elektrisch gut für das erfindungsgemäß zu verwendende Halbleiterleitenden Phase bestehen und im wesentlichen parallel photoelement; zur auffallenden Strahlung ausgerichtet sein. F i g. 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit eines

Die Erfindung besteht darin, ein solches Halbleiter- io Halbleiterphotoelementes mit einem Indiumantimonid-.

photoelement als Empfänger für Strahlung mit Wellen- Halbleiterkörper, der Nickelantimonid-Einschlüsse

längen aus dem jenseits der Absorptionskante des enthält,

Halbleitermaterials des Halbleiterphotoelementes lie- F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Nernst-Ettings-

genden langwelligen Bereich zu verwenden. hausen-Spannung an dem gleichen Indiumantimonid-

Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung 15 Halbleiterkörper mit Nickelantimonideinschlüssen von

zugrunde, daß die Empfindlichkeit von Halbleiter- einer Frequenz, mit der die zu registrierende Strahlung

photoelementen mit photoelektromagnetischem Effekt, moduliert ist.

bei denen der Halbleiterkörper Bereiche einer zweiten Der Halbleiterkörper 1 des in F i g. 1 dargestellten besser leitenden Phase enthält und diese Bereiche im Halbleiterphotoelementes enthält nadeiförmige, im wesentlichen parallel zur Richtung der einfallenden 20 wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete besser Strahlung ausgerichtet sind, nach höheren Wellen- leitende Einschlüsse 2. Der Halbleiterkörper ist derart längen nicht durch die Absorptionskante des Halb- angeordnet, daß die Einschlüsse 2 im wesentlichen leitermaterials, d. h. des Halbleitermaterials ohne die parallel zur Richtung der einfallenden Strahlung 3 und besser leitenden Bereiche, begrenzt ist, sondern daß senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes B ausgedcrartigc Halbleiterphotoelemente auch gegenüber 25 richtet sind, in dem sich der Halbleiterkörper 1 befin-Strahlung empfindlich sind, deren Wellenlänge im det. Er kann insbesondere zwischen den Polschuhen langwelligen Bereich jenseits der Absorptionskante eines Permanentmagneten angeordnet sein. Die Seitenliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei Wellen- flächen 4 des Halbleiterkörpers 1 sind mit Elektroden 5 längen jenseits der Absorptionskante des Halbleiter- und 6 versehen, an denen die auf Grund des photomatcrials an die Stelle des photoelektromagnetischen 3° elektromagnetischen Effektes bzw. des optisch indu-Effektes ein photothermomagnetischer Effekt tritt. zier.ten Nernst-Ettingshausen-Effektes auftretende elek-Dieser beruht darauf, daß sich unter der Einwirkung trische Spannung bzw. ein entsprechender Strom abgeder Strahlung im Halbleiterphotoelement in Richtung nommen und einem geeigneten Meßinstrument 7, beider Strahlung ein Temperaturgradient ausbildet, der spielsweise einem Oszillographen, zugeführt werden zusammen mit dem auf den Halbleiterkörper wirken- 35 kann.

den Magnetfeld zu einer Nernst-Ettingshausen-Span- Bei einem Halbleiterkörper mit flächenförmigen,

nung am Halbleiterphotoelement führt. Der Tempe- insbesondere scheibchenförmigen Einschlüssen aus

ralurgradient entsteht dadurch, daß in dem der Strah- einer zweiten gut leitenden Phase sollen diese Ein-

lung ausgesetzten Halbleiterkristall durch Strahlungs- Schlüsse so ausgerichtet sein, daß sie im wesentlichen

absorption Wärme erzeugt wird, die mit zunehmender 40 in der durch die Richtung der einfallenden Strahlung

Entfernung von der der Strahlung ausgesetzten Ober- und die Richtung des Magnetfeldes B aufgespannten

fläche des Halbleiterkörpers abnimmt. Daß in dem Ebene liegen.

Halbleiterkörper mit parallel zur Strahlungsrichtung Als Halbleiterkörper für das in F i g. 1 dargestellte

ausgerichteten gut leitenden Bereichen Strahlung einer Photoelement kann beispielsweise Indiumantimonid

Wellenlänge jenseits der Absorptionskante des Halb- 45 mit einem Gehalt von 1,8 Gewichtsprozent Nickelanti-

lcitermatcrials absorbiert wird, war nicht zu erwarten, monid vorgesehen sein. Bei gerichteter Kristallisation

da das Halbleitermaterial ohne gut leitende Bereiche oder beim Zonenschmelzen einer derart zusammenge-

für Strahlung mit Wellenlängen jenseits der Absorp- setzten Substanz bildet sich ein Eutektikum, in dem

tionskante praktisch völlig durchlässig ist. Offenbar sich das Nickelantimonid in Form von im wesentlichen

wird durch die besser leitenden Bereiche die Absorption 50 parallel zueinander ausgerichteten Nadeln 2 aus-

auf der langwelligen Seite der Absorptionskante scheidet, die etwa 10 bis 100 μ, vorzugsweise etwa 30 μ,

wesentlich erhöht. Die im Halbleiterkörper erzeugte lang sind und einen Durchmesser von je etwa 0,5 μ be-

Nernst-Ettingshausen-Spannung ist proportional zur sitzen. Der seitliche Abstand zwischen den statistisch

Größe des Temperaturgradienten und damit auch zur verteilten Nadeln beträgt im Mittel etwa 3,5 μ. Die

absorbierten Strahlungsleistung. 55 Absorptionskante des Indiumantimonids liegt bei

Als Material für den Halbleiterkörper des erfin- Zimmertemperatur bei einer Wellenlänge von etwa dungsgemäß zu verwendenden Halbleiterphotoelemen- 8 μ. Eigenleitendes Indiumantimonid ohne Einschlüsse lcs linden Halbleiter mit großer Elcktronenbcweglich- hat in dem jenseits dieser Absorptionskante liegenden keil Verwendung. Das Halbleitermaterial kann insbe- Wellenbereich von etwa 8 bis 20 μ eine AbsorptionssoncJere eine Λ^ιπΒ^ιν-Verbindung, beispielsweise In- 60 konstante von ungefähr 6 cm"', ist also für Strahlung diumarsenid oder Indiumantimonid sein. Besonders in diesem Wcllenlängenbereich bei den für Halbleitergeeignet als 1 lalblcilermatcrial für das I lalbleilcrphoto- photoelemente in Frage kommenden Dicken praktisch element ist Indiumantimonid mit Einschlüssen einer durchlässig und zeigt bei Bestrahlung keinen zur zweiten besser leitenden metallischen Phase aus Strahlungsmessung ausnutzbaren Nernst-Ettingshau-Nickelanlimonid oder mit Einschlüssen einer zweiten 65 sen-Effekt. Die Absorptionskonstante für Indiumantibesser leitenden metallischen Phase aus Mangananti- monid mit 1,8 Gewichtsprozent Nickelantimonidnionid. Die Einschlüsse können insbesondere die Form nadeln liegt demgegenüber im gleichen Wellenlängenim wesentlichen parallel zueinander ausgerichteter bereich zwischen etwa 300 und 100 cnr¹. Die Absorp-

Claims

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tionsfähigkeit des Halbleiterkörpers wird also durch reits genannten Abmessungen besitzt, dargestellt. An die Nadeln wesentlich erhöht, so daß bei Einfall einer der Ordinate ist die an den Kontakten 5 und 6 auf-Strahlung mit Wellenlängen von 8 μ und mehr ein tretende Spannung U in mV in logarithmischem Maß-Temperaturgradient im Halbleiterkörper auftreten stab, an der Abszisse die Modulationsfrequenz ν der kann. Außerdem wird der Nernst-Ettingshausen- 5 einfallenden Strahlung in kHz ebenfalls in logarith-Koeffizient von eigenleitendem Indiumantimonid, der mischem Maßstab dargestellt. Zur Messung wurde beispielsweise durch einseitiges Heizen eines Indium- der Halbleiterkörper, der sich in einem Magnetfeld antimonidkristalls bestimmt werden kann, durch die von etwa 9 Kilogauß befand, bei Zimmertemperatur eingebauten Nadeln etwa um den Faktor 20 erhöht, so mit einer weit unter 1 W abgeschwächten Intensität daß das Halbleiterphotoelement für Wellenlängen von io oder Strahlung eines CO₂-Lasers, die eine Wellenlänge

8 μ und mehr einen äußerst empfindlichen Strahlungs- von 10,6 μ besitzt, bestrahlt. Die Laserstrahlung wurde empfänger darstellt. zur Modulation durch eine 20flüglige Drehblende

Die Dicke d des Halbleiterkörpers 1 soll so groß zerhackt. Wie die in F i g. 3 dargestellte Kurve zeigt, sein, daß die einfallende Strahlung im wesentlichen trat bis zu einer Modulationsfrequenz von 1 kHz innerhalb des Halbleiterkörpers absorbiert wird, und 15 noch keine Empfindlichkeitseinbuße auf. Aus dem soll daher wenigstens dem reziproken Wert der Ab- Oberwellengehalt der Modulation konnte ferner gesorptionskonstante entsprechen. Ein Indiumantimonid- schlossen werden, daß durch das Halbleiterphoto-Halbleiterkörper mit Nickelantimonidnadeln mit einer element auch eine mit einer Frequenz von 3 kHz Dicke i/ von 100 μ, einer Breitet von 0,7 mm und· modulierte Strahlung praktisch ungeschwächt angeeiner Länge / von 10 mm, der in einem Magnetfeld B 20 zeigt wird. Bei wesentlich dickeren Halbleiterkörpern, von etwa 9 Kilogauß betrieben wurde, hat sich bei- beispielsweise bei Halbleiterkörpern mit einer Dicke spielsweise als Strahlungsdetektor für Wellenlängen von 0,4 mm und mehr machte sich dagegen wegen der von 8 μ und mehr als sehr geeignet erwiesen. schlechteren Wärmeabfuhr bereits bei niedrigeren

Kurve α in F i g. 2 zeigt die Empfindlichkeit des Modulationsfrequenzen eine Empfindlichkeitsverringe-Halbleiterkörpers der genannten Abmessungen aus 25 rung bemerkbar. Halbleiterphotoelemente die für hohe Indiumantimonid mit 1,8 Gewichtsprozent Nickel- Modulationsfrequenzen bestimmt sind, sollten daher antimonidnadeln in einem Magnetfeld von etwa in der Dicke die Eindringtiefe der zu registrierenden

9 Kilogauß bei Zimmertemperatur (298°K). An der Strahlung nicht mehr als um etwa das Dreifache überOrdinate ist die Empfindlichkeit»; in mV/W · cm, schreiten, d. h., ihre Dicke sollte nicht wesentlich über an der Abszisse die Wellenlänge λ der einfallenden 30 den dreifachen Betrag der reziproken Absorptions-Strahlung in μ aufgetragen, η ist der Quotient aus der konstante hinausgehen.

zwischen den Kontakten 5 und 6 wirksamen elektri- Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, ist das erfindungs-

schen Feldstärke und der auf den Halbleiterkörper gemäß zu verwendende Halbleiterphotoelement insauftreffenden Strahlungsleistung. Die Empfindlichkeit besondere für Ultrarotstrahlung einer Wellenlänge nimmt zwar beim Übergang vom photoelektromagne- 35 von 8 μ und mehr ein äußerst empfindlicher Strahtischen Effekt zum Nernst-Ettingshausen-Effekt bei lungsdetektor, der bei Zimmertemperatur betrieben der der Absorptionskante des Indiumantimonids ent- werden kann und noch für verhältnismäßig hohe sprechenden Wellenlänge von etwa 8 μ ab, ist aber Modulationsfrequenzen empfindlich ist. Die als Strahfür größere Wellenlängen noch überraschend hoch lungsempf anger für diesen Wellenlängenbereich bisher und für einen empfindlichen Strahlungsempfänger 40 bekannten Bolometer und Thermoelemente, die ebenvöllig ausreichend. Zum Vergleich ist in F i g. 2 als falls bei Zimmertemperatur betrieben werden können, Kurve b die photoelektromagnetische Empfindlichkeit sind demgegenüber in ihrer Empfindlichkeit im äußereines eigenleitenden Indiumantimonidkristalls ohne sten Fall auf Modulationsfrequenzen im Bereich von Einschlüsse in einem etwa gleichen Magnetfeld ein- etwa 100 Hz beschränkt. Eine dem erfindungsgemäß gezeichnet. Man sieht deutlich, daß das Indium- 45 zu verwendenden Halbleiterphotoelement vergleichantimonid ohne Einschlüsse gegenüber einer Strah- bare Empfindlichkeit bis zu hohen Modulationslung mit Wellenlängen von 8 μ und mehr nicht mehr frequenzen zeigen von den bekannten Strahlungsempfindlich ist. Ein solches Verhalten war zunächst empfängern nur solche, die beim Betrieb auf sehr tiefe auch für den Halbleiterkörper aus Indiumantimonid Temperaturen, beispielsweise auf die Temperatur des mit Nickelantimonideinschlüssen zu erwarten. 50 flüssigen Heliums, gekühlt werden. Beim erfindungs-

Die mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden gemäß zu verwendenden Halbleiterphotoelement ent-Halbleiterphotoelement zu registrierende Strahlung ist fällt der zu einer solchen Kühlung notwendige Aufin ihrer Eigenschaft als Informationsträger in der Regel wand.

bis zu verhältnismäßig hohen Frequenzen moduliert. Patentanspruch:

Für die Eignung des Halbleiterphotoelements als 55

Strahlungsdetektor ist es daher von Bedeutung, daß Verwendung eines Halbleiterphotoelementes mit

seine Empfindlichkeit bis zu relativ hohen Modula- photoelektromagnetischem Effekt nach Patent

tionsfrequenzen nicht wesentlich absinkt. In F i g. 3 1 214 807 als Empfänger für Strahlung mit Wellenist der sogenannte Frequenzgang des Halbleiterphoto- längen aus dem jenseits der Absorptionskante des

elementes mit einem Indiumantimonid-Halbleiter- 60 Halbleitermaterials des Halbleiterphotoelementes körper mit Nickelantimonideinschlüssen, der die be- liegenden langwelligen Bereich.

Hierzu I Blatt Zeichnungen