DE1614535C - Fotowiderstand fur Strahlungen einer Wellenlange großer als 8 my - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fotowiderstand aus einem Halbleitermaterial, das zueinander parallel ausgerichtete nadelartige Einschlüsse aus einer zweiten, elektrisch besser leitenden, metallisch absorbierenden kristallinen Phase enthält.

Halbleiterfotowiderstände stellen einfache Bauelemente zur Registrierung elektromagnetischer Strahlung dar. Zur Registrierung der Strahlung wird dabei die Änderung des elektrischen Widerstandes des Halbleiterkörpers unter dem Einfluß der Strahlung ausgenutzt. Die Empfindlichkeit der Halbleiterfotowiderstände ist jedoch durch die Lage der Absorptionskante des für den Fotowiderstand verwendeten Halbleitermaterials begrenzt, die im wesentlichen durch die Breite der verbotenen Energiezone vorgegeben ist. So ist etwa Indiumantimonid, das eine der kleinsten verbotenen Zonen aufweist und dessen Absorptionskante bei. einer Wellenlänge von etwa 7.2 μ liegt, für Strahlungen einer Wellenlänge von mehr als 8 u praktisch vollständig durchlässig und daher als Empfänger für Strahlungen einer solcher! Wellenlänge nicht geeignet. Man hat den Empfindlichkeitsbereich von Halbleiterfotowiderständen in Richtung größerer Wellenlängen durch Einbau von Störsteiiennivcaus in das Halbleitermaterial erweitert, die in der Nähe der Kanten des Valenz- bzw. Leitungsbandes liegen. Da diese Störstellcnniveaas wegen ihrer kleinen Ionisierungsenergie jedoch bei Zimmertemperatur bereits ionisiert sind, lassen sich derartige Haibleiterfotowiderstände nur bei sehr tiefen Temperaturen, insbesondere bei der Temperatur des flüssigen Heiiums, betreiben. Derartige Strahlungsempfänger sind daher wegen des zur Aufrechterhaltung dieser tiefen Temperaturen erforderlichen Kryostaten verhältnismäßig aufwendig.

Es ist ferner bekannt, daß eine halbleitende A'"B^V-Verbindung. die eutektische Ausscheidungen einer zweiten Phase enthält, als Strahlungsempfänger für optoelektronische Einrichtungen geeignet ist. Nach der deutschen Patentschrift 1 214 807 kann der mit nadel- oder scheibenförmigen Einschlüssen versehene Halbleiterkörper als Fotoelement verwendet werden. Geeignete Halbleiter sind insbesondere Indiumantimonid InSb und Indiumarsenid InAs. Die im Halbleiterkörper senkrecht zum erzeugten Strom ausgerichteten Einschlüsse können insbesondere aus Nickelantimonid NiSb bestehen. Es ist aber auch bereits vorgeschlagen worden, die Einschlüsse aus Verbindungen vom Typ CB^V herzustellen (Patentanmeldung P"l5 19 862.2- VPA 65/1120), bei denen C,ein Element aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cr, Mn und B^v ein Element der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, z. B. FeSb und FeAs, CoAs, CrSb und CrAs sowie MnSb ist. Ferner können die Einschlüsse aus Vanadium-Gallium V,,Ga_r( oder aus Gallium-Vanadium-Antimon GaV.,Sb_r bestehen (Patentanmeldung P 15 44 280.5- VPA '66/1084). Dieses zweiphasige Material ist als Fotoelement vorzugsweise geeignet für Strahlungen im Ultrarotgebiet vom Sichtbaren bis zu einer Wellenlänge von etwa 8 u. Es ist Bestandteil eines elektrischen Stromkreises und bildet somit auch einen elektrischen Widerstand.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterfotowiderstand anzugeben, der für Strahlungen einer Wellenlänge von mehr als 8 μ empfindlich ist und bei Zimmertemperatur betrieben werden kann. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß das bekannte zweiphasice Halbleitermaterial als Strahlungsempfänger für Wellenlängen oberhalb 8 μ geeignet sein kann, dessen Widerstand sich mit der Intensität der einfallenden Strahlung ändert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die besser leitenden Einschlüsse für den Nachweis von Strahlen mit einer Wellenlänge größer als 8 μ einen Abstand voneinander haben, der gleich oder kleiner als die Vakuumwellenlänge der zu empfangenden Strahlung ist. Durch die in die halbleitende

ίο Phase eingebetteten Einschlüsse wird erreicht, daß der Halbleiterkristall auch Strahlung absorbiert, für die Indiumantimonid ohne Einschlüsse auf Grund der Lage der Absorptionskante bei etwa 7,2 μ bereits durchlässig und daher nicht mehr empfindlich ist. Die Einschlüsse müssen im wesentlichen senkrecht zu dem im Halbleiterkristall fließenden Strom stehen, da bei parallel zur Stromrichtung verlaufenden Einschlüssen wegen der kurzschließenden Wirkung dieser Einschlüsse der Dunkelwiderstand des Halbleiterkristalls zu stark herabgesetzt würde.

Geeignete Halbleiterkristallc und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in einem Aufsatz in der Zeitschrift »The Journal of Phvsics and Chemistry of Solids«, Vol.26 (1965), S. 2021 bis 2028, im einzelnen beschrieben.

Der Halbleiterfotowiderstand wird vorteilhaft derart ausgebildet, daß die Einschlüsse im wesentlichen in Richtung der zu empfangenden Strahlung ausgerichtet sind. Dadurch wird erreicht, daß die Wider-Standsänderung im Halbleiterfotowiderstand praktisch unabhängig von der Polarisation der zu messenden Strahlung ist.

Insbesondere Haibleiterfotowiderstände mit Einschlüssen aus Nickelantimonid können jedoch auch derart ausgebildet sein, daß die Einschlüsse im wesentlichen senkrecht zur Richtung der zu empfangenden Strahlung ausgerichtet sind. Derartige Haibleiterfotowiderstände bieten die Möglichkeit, Polarisationseffekte bei der Strahlenmessung auszunutzen, da Strahlungsanteile, deren elektrischer Vektor in Richtung der Einschlüsse schwingt, bevorzugt absorbiert werden.

An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt die Absorptionskonstante eines HaIbleiterfotowiderstandes nach F i g. 1 mit Nickelantimonideinschlüssen und die Absorptionskonstante von Indiumantimonid ohne Einschlüsse in Abhängigkeit von der Wellenlänge;

F i g. 3 zeigt die Empfindlichkeit eines Halbleiterfotowiderstandes mit Nickelantimonideinschlüssen nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Wellenlänge;

F i g. 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der Erfindung;

F i g. 5 zeigt ein Beispiel einer geeigneten Schaltung für einen Halbleiterfotowiderstand gemäß der Erfindung.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Halbleiterfotowiderstand sind die in das aus Indiumantimonid bestehende Halbleitergrundmaterial 1 eingebetteten, schematisch dargestellten nadeiförmigen Einschlüsse 2 senkrecht zur Richtung des den Halbleiterkristall im Betriebszustand durchfließenden Stromes / und in Richtung der zu registrierenden Strahlung 3 ausge-

richtet. Als Kontakte sind zwei beispielsweise aus Kupfer bestehende Drähte 4 vorgesehen, die mit einem niedrigschmelzenden Lot mit dem Halbleiterkristall verlötet sind. Es können beispielsweise auch aufgedampfte Kontakte vorgesehen werden.

Als Halbleiterkristall für den in Fig. 1 dargestellten Halbleiterfotowiderstand ist beispielsweise Indiumantimonid mit 1,8 Gewichtsprozent Nickelantimonid vorgesehen. Bei gerichteter Kristallisation oder beim Zonenschmelzen einer derart Zusammengesetzten Substanz bildet sich ein Eutektikum, in dem sich das Nickelantimonid in Form von parallel zueinander ausgerichteten Nadeln ausscheidet, die etwa 10 bis 100 μ, vorzugsweise etwa 30 μ, lang sind und einen Durchmesser von etwa 0,5 μ besitzen. Der seitliche Abstand zwischen den einzelnen Nadeln beträgt etwa 3,5 μ.

Die elektrische Leitfähigkeit der Nadeln ist größer als die des Indiumantimonids. Während eigenleitendes Indiumantimonid bei Zimmertemperatur eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa 220 (Ωαη)"¹ besitzt, hat das Nickelantimonid eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa 7- 10⁴(Qcm)~¹. Der als Fotowiderstand verwendete Halbleiterkristall kann beispielsweise aus einem gröfieren Kristall herausgeschnitten werden. Beispielsweise kann der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterkristall etwa 0,1 mm stark, etwa 0,7 mm breit und etwa 10 mm lang sein. Derartige dünne und langgestreckte Kristalle werden bevorzugt, da der spezifische elektrische Widerstand des Materials verhältnismäßig klein ist.

Kurve α in F i g. 2 zeigt die Absorptionskonstante eines eigenleitenden Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen, der die eben genannten Abmessungen besitzt. An der Abszisse ist die Wellenlänge/, des eingestrahlten Lichtes in linearem Maßstab, an der Ordinate die Absorptionskonstante K des Halbleitermaterials in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Zum Vergleich ist als Kurve b in F i g. 2 die Absorptionskonstante eines eigenleitenden Indiumantimonidkristalls etwa gleicher Abmessungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Wie aus den Kurven klar zu erkennen ist, ist die Absorptionskonstante des Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen bei Wellenlängen von mehr als 8 μ gegenüber der Absorptionskonstante des Indiumantimonidkristalls ohne Einschlüsse wesentlich erhöht.

In F i g. 3 ist die spektrale Empfindlichkeit des gleichen Indiumantimonidkristalls mit Nickelantimonideinschlüssen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. An der Abszisse ist die Wellenlänge ;. der eingestrahlten Strahlung in linearem Maßstab, an der Ordinate die Empfindlichkeit E des Halbleiterfotowiderstandes in willkürlichen Einheiten ebenfalls in linearem Maßstab aufgetragen. Zur Messung wurde monochromatisches Licht verwendet, mit dem der Halbleiterfotowiderstand mit einer Frequenz von 13 Hertz intermittierend beleuchtet wurde. Unter spektraler Empfindlichkeit ist dabei das Verhältnis zwischen Fotostrom und eingestrahlter Strahlungsleistung zu verstehen. Wie F i g. 3 zeigt, nimmt zwar die spektrale Empfindlichkeit dieses Halbleiterfotowiderstandes im Bereich der Absorptionskante des Indiumantimonids leicht ab, bleibt jedoch bei Wellenlängen zwischen etwa 10 und 15 μ verhältnismäßig konstant. Die Eignung des Halbleiterfotowiderstandes als Strahlungsempfänger für Strahlungen einer Wellenlänge von mehr als 8 μ ist aus der Figur klar ersichtlich.

In F i g. 4 ist ein Halbleiterfotowiderstand dargestellt, bei dem die in das aus Indiumantimonid bestehende Halbleitergrundmaterial 11 eingelagerten Nickelantimonidnadeln 12 senkrecht zu dem den Halbleiterkristall durchfließenden Strom / und senkrecht zur Richtung der zu registrierenden Strahlung 13 ausgerichtet sind. Als Kontakte sind wiederum angelötete Kupferdrähte 14 vorgesehen. Der als Fotowiderstand zu verwendende Kristall kann wiederum in geeigneter Weise aus einem größeren Kristall herausgeschnitten sein. Er kann beispielsweise etwa 50 μ stark, 0,2 mm breit und etwa 12 mm lang sein. Bei diesem Halbleiterfotowiderstand kann die unterschiedliche absorbierende Wirkung der Nickelantimonidnadeln auf die verschiedenen Polarisationsrichtungen der Strahlung 13 ausgenutzt werden. Beispielsweise kann bei polarisationsmodulierter Strahlung, mit der etwa eine Signalübertragung möglich ist, der erfindungsgemäße Halbleiterfoto widerstand gleichzeitig die Funktion eines Analysators mit übernehmen.

Insbesondere für den in F i g. 1 dargestellten Fotowiderstand kann auch Indiumantimonid mit etwa 6,5 Gewichtsprozent Manganantimonid vorgesehen sein. Beim gerichteten Kristallisieren oder beim Zonenschmelzen einer derart zusammengesetzten Substanz bildet sich wiederum ein Eutektikum, in dem sich das Manganantimonid in Form von im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Nadeln ausscheidet. Die Nadeln sind etwa 10 bis 100 μ lang, haben einen Durchmesser von etwa 1 μ und einen seitlichen Abstand von etwa 3,5 μ.

F i g. 5 zeigt eine einfache Schaltung zum Betrieb des Halbleiterfotowiderstandes gemäß der Erfindung. Der Fotowiderstand 21 ist bei dieser Schaltung mit einem konstanten Arbeitswiderstand 22 elektrisch in Reihe geschaltet und mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden. Die bei Beleuchtung des Fotowiderstandes 21 auftretende Stromänderung wird über dem Widerstand 22 durch ein geeignetes Meßinstrument 24 gemessen. Durch eine Blende 25, die eine Öffnung für die beispielsweise vom Austrittsfenster 26 eines Lasers ausgehende Strahlung 27 frei läßt, wird der Fotowiderstand 21 gegen aus der Umgebung einfallende Strahlung geschützt.

Zur Unterdrückung von störender Untergrundstrahlung wird der Fotowiderstand 21 vorteilhaft mit Wechsellicht beleuchtet. Falls die Strahlungsquelle selbst kein Wechsellicht ausstrahlt, kann zur Erzeugung des Wechsellichtes vorteilhaft eine rotierende Zerhackerblende 28 vorgesehen sein, welche die zu messende Strahlung vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen etwa 10 und etwa 500 Hertz unterbricht.

Der erfindungsgemäße Strahlungsempfänger eignet sich besonders vorteilhaft zur Registrierung der energiereichen Strahlung des CO₂-Lasers, die eine Wellenlänge von 10,6 μ besitzt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Fotowiderstand aus einem Halbleitermaterial (Indiumantimonid), das zueinander parallel ausgerichtete, nadelartige Einschlüsse aus einer zweiten, elektrisch besser leitenden, metallisch absorbierenden kristallinen Phase (Nickelanti-

monid) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die besser leitenden Einschlüsse für den Nachweis von Strahlen mit einer Wellenlänge größer als 8 μ einen Abstand voneinander haben, der gleich oder kleiner als die Vakuumwellenlänge der zu empfangenden Strahlung ist.

2. Fotowiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Nickelantimonid mit dem Indiumantimonid ein Eutektikum bilden.

3. Fotowiderstand nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Manganantimonid bestehen und mit dem Indiumantimonid ein Eutektikum bilden.

4. Fotowiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse (2) im wesentlichen in Richtung der zu empfangenden Strahlung (3) ausgerichtet sind.

5. Fotowiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse (12) im wesentlichen senkrecht zur Richtung der zu empfangenden Strahlung (13) ausgerichtet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen