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PROCEDE DE PREPARATION DE DISPOSITIFS UTILISANT DES COUCHES DE TRANSITION ENTRE
SEMI-CONDUCTEURS DES TYPES P & N-
Le présent perfectionnement concerne l'utilisation des couches de transition entre semi-conducteurs des types P & N préparés selon le brevet principal pour la réalisation de cellules photo-électriques.
On sait qu'en dirigeant de la lumière sur la zone de contact éta- blie entre la pointe d9une électrode effilée et la surface d'un fragment de germanium, on observe un effet photoélectrique mis en évidence par la présen- ce d'une tension photoélectrique au droit du contact, ou par les variations d'un courant électrique précédemment établi à travers le dit contact. En rai - son de la faible étendue de la surface de germanium photosensible qui entoure la pointe de l'électrode, l'effet photoélectrique est peu important et il est difficile de réaliser un système optique pour concentrer la lumière inciden- te sur cette petite zone de contact.
On sait également que les dispositifs à couches de transition, dont la préparation est décrite en détails dans le brevet principal, présen- tent ce même effet photoélectrique au droit de la couche de transition, lors- que cette dernière est éclairéeo Pour obtenir des dispositifs de ce genre présentant de bonnes caractéristiques photoélectriques, on utilise du germa- nium dont la résistivité est d'au moins deux ohms par centimètre, c'est-à- dire ne renfermant que des quantités infimes d'impuretés du type donneur ou du type accepteur.
On peut théoriquement réaliser des couches de transition d'aire bien supérieure à celle de la zone entourant la pointe d'une électrode effi- lée et obtenir ainsi un effet photoélectrique beaucoup plus important qu'avec des dispositifs à contact ponctuelo Pratiquement, il se présente plusieurs difficultés : par exemple, les régions de conductibilité du type P et du ty- pe N, qui sont situées de part et d'autre de la couche de transition, ont en
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général une épaisseur appréciableo Le germanium s'opposant fortement à la transmission des rayons lumineux., spécialement des rayons visibles et ultra- violets, on a pensé éclairer seulement l'un des bords sensibles de la couche au moyen d'une radiation dirigée parallèlement à cette dernière.
Mais, dans ces conditions, la partie éclairée contribue presque exclusivement à l'effet photoélectrique obtenu et la plus grande partie de la surface photosensible demeure inutiliséeo
La présente invention a pour objet la réalisation d'une cellule photoélectrique au germanium, à couche de transition, présentant sur les dis- positifs antérieurs les avantages suivants : plus grande surface photosensible active; photosensibilité de la couche de transition aux radiations infra- rouges visibles et ultra-violettes, ou sensibilité sélective à certaines ban- desplus étroites du spectre lumineux, même à travers une certaine épaisseur de germanium; construction peu coûteuse et solide en dépit de la petite tail- le et de la fragilité de l'élément actif;
enfin, adaptation simple et très efficace de l'ensemble à la concentration de la lumière sur la couche de tran- si tiono
Conformément à l'invention, la cellule photoélectrique est con- stituée par une pastille de germanium, d'une épaisseur de 0,12 cm au plus, dans laquelle se trouve une couche de transition P-N parallèle aux deux sur- faces planeso La longueur et la largeur de la pastille ne sont pas critiques, une valeur voisine de 0,7 cm convient pour ces deux dimensions. La prépara- tion de pastilles de ce genre est décrite en détails dans le brevet princi- pale Deux électrodes distinctes sont respectivement connectées aux régions de conductibilité du type P et du type N; la lumière, traversant l'une ou l'au- tre de ces régions, vient frapper la couche de transition suivant une direc- tion perpendiculaire au plan de la pastille.
Au cours de la fabrication, on règle la position de la couche de transition à l'intérieur de la pastille, ainsi que l'épaisseur totale de cette dernière, de façon à ce que la cellule soit sensible, soit à toutes les radiations du spectre, y compris l'ultra- violet et l'infra-rouge, soit à certaines fractions prédéterminées du spec- tre, voisines de l'infra-rougeo
Selon une réalisation préférée de l'invention, on dépose sur l'une des faces de la pastille de germanium une très mince pellicule d'impu- reté ;
la couche de transition P-N se forme immédiatement au-dessous de cette pellicule, par l'alliage et la diffusion de l'impureté dans la pastille jus- qu'à une profondeur inférieure à 0,0025 cmo La lumière incidente traverse la pellicule d'impureté et excite la couche de transition située au-dessous, sans absorption appréciable d'aucuue longueur d'ondeo
Selon une variante de l'invention, la lumière incidente est di- rigée sur l'autre face de la pastille,
de telle sorte qu'elle traverse pres- que toute l'épaisseur de cette dernière avant d'atteindre la couche de tran-' sitiono A cause du haut pouvoir d'absorption du germanium pour les rayons de faible longueur d'onde les cellule photoélectriques ainsi conçues sont sur- tout sensibles à l'infra-rouge et peuvent servir à détecter ou à filtrer ce rayonnement pour le séparer du reste du spectre lumineux.
Le degré de sensi- bilité de la cellule aux rayons visibles et ultraviolets est déterminé par l'épaisseur de germanium que la lumière incidente doit traverser avant d'at- teindre la couche de transition ; peut l'ajuster au moment de la fabrica- tion de la pastille, en réalisant la couche de transition à la profondeur voulue, ou encore en réduisant l'épaisseur de la pastille par meulage ou dé- capage, après formation de la couche de transition P-N.
Lorsque la lumière incidente traverse une certaine épaisseur de . germanium avant d'atteindre la couche de transition P-N, on peut la concen- trer sur cette dernière en donnant à la surface de la pastille qui la reçoit,. une forme particulière; de cette façon., la pastille joue le rôle d'une len- tille, à cause de son indice de réfraction élevéo
La présente invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exem- ples de réalisation non limitatifs.
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- La figure 1 est une vue en coupe d'une cellule photoélectri- que réalisée selon l'invention; - La figure 2 est une vue agrandie de la couche de transition
P-N que comporte la cellule de la figure 1; - La figure 3 est une vue agrandie d'une variante de réalisa- tion de la couche P-N, applicable à la construction de la cellule de la figu- re 1;
- La figure 4 est une vue en coupe d'une autre cellule photo- électrique réalisée selon une variante de l'invention et - La figure 5 est une vue agrandie de la couche de transition
P-N que comporte la cellule de la figure 40
Sur la figure 1, on a représenté une cellule photoélectrique 10 munie d'une enveloppe cylindrique 11 en substance isolante, telle que l'ébo- nite la bakélite ou une matière plastiqueo L'une des extrémités de l'envelop- pe 11 supporte une lentille 12, l'autre extrémité, un élément photosensible
13 et ses connexionso L'élément 13 est constitué par une pastille de germa- nium 25 à couche de transition P-N;-l'une des faces de 25 reçoit la lumière incidente focalisée par la lentille 12.
On peut, en variante, supprimer ce dernier élément et donner à l'enveloppe 11 la forme d'un tube allongé qui di- rige la lumière incidente sur la face exposée de la pastille 25. Celle-ci repose sur un disque ou piston 14, réalisé en un alliage de fer, nickel, co- balt, dont le coefficient de dilatation thermique est le même que celui du germanium. Un conducteur 15 est connecté, par soudure, au piston 14. Un se- cond conducteur 16 est introduit dans la paroi de l'enveloppe 11; une peti- te bande de connexion 17 est fixée par un point de soudure à la saillie in- terne 18 du conducteur 16. La bande 17 est flexible de préférence, et peut être réalisée par superposition de plusieurs feuilles métalliques ; elle est connectée à la face exposée de la pastille 250
Sur la figure 2, on a représenté en détails la structure de l'élément 13.
Il est constitué, ainsi qu'il a été dit plus haut, par une mince pastille de germanium 25, de 0,6 cm de côté; cette valeur n'est pas critique, tandis que celle de l'épaisseur t ne doit pas dépasser 0,13 cm, et, de préférence, ne pas être inférieure à 0,013 cm. La face supérieure de la pastille, qui est exposée à la lumière, est recouverte d'une très mince pellicule d'impureté 20, que l'on dépose par évaporation ou projection, et qui peut servir à atténuer les propriétés réfléchissantes de la face qu'elle recouvre. Il est bon de polir ou de décaper la surface de la pastille avant le dépôt de la pellicule 20.
On enlève aussi, par meulage ou décapage, tou- te trace d'impureté sur les bords de la pastille pour pallier le risque de court-circuit dans la couche de transition P-No La pellicule d'impureté est ainsi limitée à la face supérieure de la pastille 25 ; elle doit avoir une épaisseur uniforme, au plus égale à 40000 angstroms, de préférence; on ob- tient de meilleurs résultats lorsque l'épaisseur est voisine de 1.000 angs- trams Le type d'impureté choisi pour constituer la pellicule 20 dépend des caractéristiques de conductibilité du germanium dont est faite la pas- tille 25.
Ainsi qu'il est expliqué en détails dans le brevet principal, l'im- pureté doit avoir une conductibilité de type opposé à celle du germanium dont est constituée la pastille ; si la pastille est constituée de germanium à conductibilité "intrinsèque", on peut utiliser indifféremment une impure- té du type P ou du type No D'autre part,il est bon que la pastille, de conductibilité donnée, soit mise en contact avec un élément contenant des impuretés conférant le même type de conductibilité que ladite pastille.
Ainsi qu'il apparait sur la figure, on place, sous la pastille 25, une pla- quette 21 constituée par un donneur, tel l'antimoine, si 25 a une conducti- bilité du type N, et par un accepteur, tel l'indium, si 25 a une conducti- bilité du type Po Si 25 est formée de germanium à conductibilité intrin- sèque, on la monte sur une plaquette contenant une impureté qui confère une conductibilité de type opposé à celle qu'introduit la pellicule 20.
L'impureté dont est constituée la plaquette 21 s'allie partiel-
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lement au germanium de la pastille 25 et y diffuse jusqu'à une certaine pro- fondeur par chauffage à une température appropriéeo L'étendue et la prof on-- deur de diffusion ne sont pas critiques;
il suffit que l'impureté ne traver- se pas la pastille dans toute son épaisseur. La température et la durée né- cessaires pour effectuer une diffusion satisfaisante de l'impureté sont dis-' cutées dans la suite de la descriptions en relation avec la formation de la couche P-No La plaquette 21 est soudée au piston 14 et sert à fournir ou à absorber des électrons, selon le cas, de manière à ce qu'une bonne conducti- bilité, d'un type prédéterminé? puisse s'établir entre la pastille 25 et la borne 15.Selon une variante de l'invention, illustrée sur la figure 3, on supprime la plaquette 21 et 1'on emploie, pour fixer la pastille 25 au piston conducteur 14, de la soudure 21a contenant l'impureté voulueo Si la pastille 25 est en germanium du type N,
on peut utiliser une soudure 21 a constituée, par exemple, par 85 de plomb et 15% d'antimoine, et chauffer à 250 degrés C.; on peut se servir d'une soudure analogue, renfermant de l'indium au lieu d'antimoine si la pastille 25 est en germanium du type Po L'établissement d'un bon contact., résultant d'une légère diffusion de l'impureté dans le ger- manium, est assuré par une soudure faite dans les conditions requises de cha- leur et de duréeo
Le montage de la pastille sur la plaquette 21 ou sa fixation sur le piston 14 au moyen de la soudure 21a, peuvent s'effectuer avant, après ou pendant la formation de la couche de transition 22. La couche 22 est for- mée par la pénétration de la pellicule d'impureté 20 dans la pastille 25 jus- qu'à une profondeur inférieure, de préférence,, à 0,0025 cm.
Lorsque 20 est une pellicule d'indium.\) on obtient la profondeur de diffusion qui convient en chauffant l'ensemble pendant une demi-heure environ, à une température comprise entre 400 et 600 degrés Co; pour l'antimoine, on chauffe pendant le même temps à 650 degrésoUn phénomène d'alliage accompagne normalement la diffusion de l'impuretés mais il reste superficiel, et la couche de transi- tion P-N se forme à la limite de pénétration de l'impureté diffusée.. L'opé-. ration s'effectue, de préférence,, en une atmosphère ne présentant aucune réaction chimique avec l'impureté utilisées de l'argon pur par exemple. Pour cette raison, on préfère réaliser la couche de transition 22 avant de mon- ter la pastille 25 sur le piston 14.
Deux semblables cycles de chauffage per- mettent, l'un la diffusion de la pellicule 20 dans la face supérieure de la pastille, l'autre la diffusion de la plaquette 21 dans la face inférieure.
Les températures employées pour ces deux opérations dépendent surtout de la nature des impuretés choisies et sont comprises entre 200 & 700 degrés C. pour tous les donneurs et accepteurs connus. En règle générale, la tempéra- ture la plus basse que l'on puisse utiliser, est celle où l'impureté commen- ce à "mouller" le germanium.\) c'est-à-dire celle où l'on discerne un début de pénétrationo Pour l'indium par exemple, cette température est voisine de 250 degrés, tandis qu'elle est de 600 degrés pour l'antimoine.
D'autre part, la température la plus élevée est celle à laquelle le germanium commence à fondre, vers 950 degrés, mais il ne convient pas de dépasser 800 degrés, vu la difficulté de contrôler la vitesse de diffusion de l'impureté à de telles températureso On déterminera les température et durée exactes en effectuant quelques essais préliminaires ou en se référant à des manuels de chimie et physique donnant les propriétés de diffusion de l'élément choisie En fègle générale, plus la durée est grande, plus la pénétration de l'impureté est profonde ; plus la température est élevée, plus la profondeur et la concen- tration d'impureté alliée ou diffusée dans le germanium sont importantes.
Un procédé commode pour déterminer la position exacte de la couche de transition 22 dans les pièces d'essai, consiste à couper la pièce suivant une direction qui fait un angle aigu avec les plans des grandes sur- faces de la pastille 25, de telle manière que le plan de section coupe la- dite coucheo On promène une sonde métallique chaude le long du plan de cou- pe jusqu'à ce que la déviation d9un galvanomètre, en série avec la sonde, change de sens; le point où la déviation est nulle indique la position de la couche de transition P-N.
Cette méthode repose sur le fait que la sonde et la surface du germanium constituent un thermo-couple dans lequel s'établit'
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une tension thermo-électrique, dont la polarité dépend du type de conductibi- lité du germaniumo Le procédé de réalisation des couches de transition P-N par diffusion d'impuretés est décrit en détails dans le brevet principalo
La pastille 25, ainsi préparée., comprend diverses zones super- posées qui se présentent comme suit, à partir du hauts la pellicule 20 a disparu ou presque, donnant naissance à une zone très mince 24 d'une épais- seur inférieure à 0,0025 cm. fortement imprégnée de Impureté dont était for- mée la pellicule 20. A 24 est connectée la bande conductrice 17,'ainsi qu'il apparait sur la figo 2.
Sous la zone 24, se trouve la couche de transition
22 ; enfin, la base de la pastille est constituée par une zone 23 dont la con- ductibilité est de type opposé à celle de 240
Lorsque la lumière incidente tombe sur la face supérieure de la pastille 25, elle traverse ce qui reste de la pellicule 20 et la zone 24 pour venir frapper la couche de transition 22 et donner naissance à une tension photoélectrique entre les bornes 15 & 160 Si, au moyen d'une source extérieu- re connectée aux conducteurs 15 & 16, en série avec une impédance, on appli- que un courant électrique aux bornes de la couche de transition P-N, on peut utiliser la lumière incidente pour contrôler l'intensité du courant circulant dans ce circuit extérieur et faire varier, en conséquence,
la tension appa- raissant aux bornes de l'impédanceo L'élément photosensible 13 est également un dispositif à conductibilité unidirectionnelle et, de ce fait, redresse le courant alternatif du circuito On a observé un effet photoélectrique plus im- portant lorsque le courant circule dans le sens où l'élément à couche de transition présente une forte résistanceo
Sur la figure 3,on a représenté une variante de réalisation de l'élément 13 où l'impureté déposée sur la pastille se présente sous forme d'une sorte de grille à fils parallèles 26, au lieu d'une pellicule homogène comme précédemmento L'épaisseur de la grille est du même ordre de grandeur que celle de la pellicule 20;
le dépôt s'effectue de la même façon - par éva- poration ou projection -, mais cette fois, on utilise un cache pour masquer les régions de la pastille à ne pas recouvriro Après dépôt de l'impureté, on ôte le cache et l'on prépare la couche de transition P-N, comme il a été expliqué plus hauto On décape ensuite l'ensemble au moyen d'un décapant chi- mique ou électrolytique, pour enlever les impuretés superficielles et évi- ter ainsi de court-circuiter la tension photo-électriqueo Le décapage forme, en général, de petites cavités 27 autour des fils 26.
La disposition de la figure 3 favorise l'homogénéité de la couche de transition P-N et diminue les risques de formation de zones insensibles qui affaiblissent la sensibili- té totale du dispositif9 comme il a été dit dans le brevet principalo
Les éléments à couche de transition P-N, réalisés selon l'in- vention et apparaissant sur les figures 2 & 3sont sensibles à toutes les radiations du spectre, y compris les rayons infra-rouges et ultra-violets, ceci grâce à la très faible épaisseur de la zone que doit traverser la lu- mière incidente, avant d'atteindre la couche de transition;
cette zone ayant une épaisseur inférieure à 0,0025 cm, l'absorption des radiations lumineuses par le germanium est à peu près nulleo
Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation de la cellule photoélectrique selon l'invention, particulièrement sensible à la bande infra-rouge du spectreo La cellule 30 comporte une enveloppe cylindri- que en métal 31, munie à sa base d'un rebord 32 comprenant un support inté- rieur qui sert à réaliser l'une des connexions de l'élément photoélectriqueo L'autre borne est formée par un conducteur 33, introduit dans un couvercle isolant 34, à l'extrémité supérieure de la celluleo L'élément à couche de transition 35, représenté en détails sur la figure 5, comprend une pastille de germanium circulaire 36,
montée sur un élément conducteur 37 en forme d'en- tonnoir s'élargissant vers la base de la cellule 30. La pastille 36 a une épaisseur comprise entre 0,013 et 0,13 cm et un diamètre voisin de 1,3 cm - cette dernière dimension n'étant pas critiquée Le support 37 sert à diriger la lumière sur la face inférieure de la pastille 36; on a donné à cette sur-
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face une forme sphérique, par meulage ou décapage, et elle joue le rôle de lentille, ainsi qu'il est expliqué plus bas.
L'élément conducteur 37 entou- re complètement la pastille 36, à laquelle il est, de préférence, scellé de façon étancheo Une bande 38, fixée à la saillie 39 du conducteur 33, relie ce dernier à l'impureté 40 qui se présente sous forme de bille au centre de la face supérieure de la pastille 36, La face supérieure de l'élément à cou- che de transition 35 est, de préférence, décapée pour les raisons données plus haut; cette opération définit une gorge 45. Une impureté 419 introdui- sant une conductibilité de type opposé à celle que communique l'impureté 40, est fixée, sous forme de soudure, à la circonférence de base de la pastille 36.
Elle sert à améliorer le contact entre la pastille et l'élément conduc- teur et à faciliter l'extraction ou l'absorption des électrons dans la cou- che de transition P-N; elle joue le même rôle que la plaquette 21 ou la sou- dure 21a de la cellule 100
La sphérule d'impureté 40 peut aussi se présenter sous forme de soudure et la couche de transition 42 se forme sous la sphérule par suite de la diffusion de l'impureté dans la pastille 36, sous l'action de la chaleur, comme il a été dit plus hauto Mais., dans la cellule 30 il est nécessaire que la couche de transition P-N se forme à moins de 090025 cm de la surface, comme c'était le cas dans la cellule 100 De fait, pour la plupart des appli- cations,
il vaut mieux que la durée ou la température de chauffe soit quelque peu supérieure à celle mentionnée dans la description de la figure 2, de ma- nière que la couche de transition soit plus rapprochée de la face inférieure de la pastille; la profondeur maximum à laquelle peut se trouver la couche de transition est, par exemple, 0,012 cm pour une pastille de 0,037 cm d'é- paisseur au maximumo Etant donné la vitesse uniforme de diffusion de l'impu- reté 40 dans toutes les directions,il se forme sous la sphérule une zone 43 fortement imprégnée d'impureté; la couche de transition 42, qui se présente sous forme d'une calotte sphérique., est située entre la zone 43 et la partie 44 de la pastille, située à 1'extérieur de la zone de diffusion.
La face in- férieure de la pastille 36, également sphérique, agît., vu son indice de ré- fraction élevé, comme une lentille convexe qui concentre la lumière inciden- te sur la couche de transition P-N. Grâce à cette disposition et à la forme d'entonnoir de l'élément conducteur 37, on peut rendre la cellule 30 sensi- ble à une lumière relativement faibleo
Un élément à couche de transition P-N réalisé selon l'invention dont la pastille a 0,05 cm d'épaisseur et dont la couche de transition est située à 0,012 cm au-dessous de la sphérule d'impuretés délivre un courant de repos de 20 milliampères? lorsqu'on applique une différence de potentiel inverse de 15 volts aux bornes de cet élément,
et un courant de 30 milliam- pères lorsque la cellule est éclairée, ainsi alimentée, par une lampe à fila- ment de tungstène de 60 watts., placée à une distance de 3,7 cmo La lumière émise par la lampe est en grande partie infra-rouge. Etant donné que le ger- manium absorbe plus facilement la lumière visible et ultra-violette que l'infra-rouges la cellule 30 est beaucoup plus sensible à cette dernière qu'à toutes les autres radiations du spectreo Une pastille de 0,04 cm d'épaisseur, dont la couche de transition P-N est située à 0,012 cm de la surface, atté- nue très fortement toutes les radiations, à l'exception des infra-rougeso '
Sur la figure 5, la sphérule d'impureté 40 est de l'indium et l'anneau d'impureté 41 est de l'antimoine.
La zone 43 présente donc une con- ductibilité du type P, tandis que celle de la zone 44 est du type N. Ceci est donné uniquement à titre d'exemple.
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PROCESS FOR PREPARING DEVICES USING TRANSITION LAYERS BETWEEN
SEMICONDUCTORS OF TYPES P & N-
The present improvement relates to the use of transition layers between semiconductors of the P & N types prepared according to the main patent for the production of photoelectric cells.
It is known that by directing light onto the contact zone established between the tip of a tapered electrode and the surface of a germanium fragment, a photoelectric effect is observed, evidenced by the presence of a voltage. photoelectric to the right of the contact, or by variations in an electric current previously established through said contact. Due to the small extent of the photosensitive germanium surface which surrounds the tip of the electrode, the photoelectric effect is small and it is difficult to make an optical system to concentrate the light incident on this small area. of contact.
It is also known that the devices with transition layers, the preparation of which is described in detail in the main patent, exhibit the same photoelectric effect at the level of the transition layer, when the latter is illuminated. as this type exhibits good photoelectric characteristics, germanium is used whose resistivity is at least two ohms per centimeter, that is to say containing only minute amounts of impurities of the donor type or of the acceptor type .
In theory, it is possible to produce transition layers with an area much greater than that of the area surrounding the tip of a tapered electrode and thus obtain a much greater photoelectric effect than with point contact devices. several difficulties: for example, the P-type and N-type conductivity regions, which are located on either side of the transition layer, have in
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general an appreciable thickness o Germanium is strongly opposed to the transmission of light rays., especially visible and ultra-violet rays, it has been thought to illuminate only one of the sensitive edges of the layer by means of radiation directed parallel to the latter.
But, under these conditions, the illuminated part contributes almost exclusively to the photoelectric effect obtained and most of the photosensitive surface remains unused.
The present invention relates to the production of a germanium photoelectric cell, with a transition layer, having the following advantages over the prior devices: greater active photosensitive surface; photosensitivity of the transition layer to visible infrared and ultra-violet radiations, or selective sensitivity to certain narrower bands of the light spectrum, even through a certain thickness of germanium; inexpensive and strong construction despite the small size and fragility of the active element;
finally, simple and very efficient adaptation of the assembly to the concentration of light on the layer of transitiono
According to the invention, the photoelectric cell is constituted by a germanium pellet, with a thickness of 0.12 cm at most, in which there is a PN transition layer parallel to the two planeso surfaces. the width of the pellet is not critical, a value close to 0.7 cm is suitable for these two dimensions. The preparation of such pellets is described in detail in the main patent. Two separate electrodes are respectively connected to the P-type and N-type conductivity regions; the light, passing through one or the other of these regions, strikes the transition layer in a direction perpendicular to the plane of the pellet.
During manufacture, the position of the transition layer inside the pellet, as well as the total thickness of the latter, is adjusted so that the cell is sensitive to all the radiations of the spectrum. , including ultra-violet and infra-red, or to certain predetermined fractions of the spectrum, close to infra-redo
According to a preferred embodiment of the invention, a very thin film of impurity is deposited on one of the faces of the germanium pellet;
the PN transition layer is formed immediately below this film, by the alloying and diffusion of the impurity in the pellet to a depth less than 0.0025 cmo The incident light passes through the film of impurity and excites the transition layer below, without appreciable absorption of any wavelength
According to a variant of the invention, the incident light is directed onto the other face of the pellet,
in such a way that it passes through almost the entire thickness of the latter before reaching the transition layer. Because of the high absorption capacity of germanium for the rays of short wavelength the photoelectric cells designed in this way are above all sensitive to infrared and can be used to detect or filter this radiation to separate it from the rest of the light spectrum.
The degree of sensitivity of the cell to visible and ultraviolet rays is determined by the thickness of germanium that the incident light must pass through before reaching the transition layer; can adjust it when manufacturing the pellet, by making the transition layer to the desired depth, or by reducing the thickness of the pellet by grinding or stripping, after formation of the transition layer PN.
When the incident light passes through a certain thickness of. germanium before reaching the P-N transition layer, it can be concentrated on the latter by giving the surface of the pellet which receives it ,. a particular shape; in this way., the pellet plays the role of a lens, because of its high refractive index.
The present invention will be fully understood by reference to the following description and to the accompanying drawings, given by way of non-limiting exemplary embodiments.
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- Figure 1 is a sectional view of a photoelectric cell produced according to the invention; - Figure 2 is an enlarged view of the transition layer
P-N that comprises the cell of FIG. 1; FIG. 3 is an enlarged view of an alternative embodiment of the P-N layer, applicable to the construction of the cell of FIG. 1;
- Figure 4 is a sectional view of another photoelectric cell produced according to a variant of the invention and - Figure 5 is an enlarged view of the transition layer
P-N in the cell in figure 40
In Figure 1, there is shown a photoelectric cell 10 provided with a cylindrical casing 11 made of an insulating substance, such as ebonite, bakelite or a plastic material. One of the ends of the casing 11 supports a lens 12, the other end, a photosensitive element
13 and its connections Element 13 consists of a germanium pellet 25 with a P-N transition layer; one of the faces of 25 receives the incident light focused by the lens 12.
As a variant, this last element can be omitted and the casing 11 may be given the form of an elongated tube which directs the incident light onto the exposed face of the pellet 25. The latter rests on a disc or piston 14. , made of an alloy of iron, nickel, cobalt, the thermal expansion coefficient of which is the same as that of germanium. A conductor 15 is connected, by soldering, to the piston 14. A second conductor 16 is introduced into the wall of the casing 11; a small connection strip 17 is fixed by a solder point to the internal projection 18 of the conductor 16. The strip 17 is preferably flexible, and can be produced by superimposing several metal sheets; it is connected to the exposed face of the pad 250
In Figure 2, there is shown in detail the structure of the element 13.
It is constituted, as was said above, by a thin germanium 25 pellet, 0.6 cm per side; this value is not critical, while that of the thickness t should not exceed 0.13 cm, and preferably not be less than 0.013 cm. The upper face of the pellet, which is exposed to light, is covered with a very thin film of impurity 20, which is deposited by evaporation or projection, and which can serve to attenuate the reflective properties of the face which 'she covers. It is good to polish or strip the surface of the pellet before depositing the film 20.
Any trace of impurity on the edges of the pellet is also removed, by grinding or pickling, to alleviate the risk of short-circuiting in the P-No transition layer. The film of impurity is thus limited to the upper face tablet 25; it should have a uniform thickness, at most equal to 40,000 angstroms, preferably; better results are obtained when the thickness is close to 1000 Angstroms. The type of impurity chosen to constitute the film 20 depends on the conductivity characteristics of the germanium from which the tablet 25 is made.
As explained in detail in the main patent, the impurity must have a conductivity of the type opposite to that of the germanium of which the pellet is made; if the pellet consists of germanium with "intrinsic" conductivity, it is possible to use either an impurity of the P type or of the No type. On the other hand, it is good that the pellet, of given conductivity, is brought into contact with a element containing impurities conferring the same type of conductivity as said pellet.
As shown in the figure, a wafer 21 is placed under the pellet 25, consisting of a donor, such as antimony, if 25 has an N-type conductivity, and of an acceptor, such as Indium, if 25 has a Po-type conductivity Si 25 is formed from intrinsically conductive germanium, it is mounted on a wafer containing an impurity which imparts a conductivity of the opposite type to that introduced by the film 20.
The impurity of which the plate 21 is made is partially combined
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pellet 25 and diffuses therein to a certain depth by heating to a suitable temperature. The extent and depth of diffusion are not critical;
it suffices that the impurity does not pass through the pellet throughout its thickness. The temperature and time required to effect satisfactory diffusion of the impurity are discussed in the remainder of the description in relation to the formation of the P-No layer. The plate 21 is welded to the piston 14 and serves to supply or absorb electrons, as the case may be, so that good conductivity, of a predetermined type? can be established between the pad 25 and the terminal 15. According to a variant of the invention, illustrated in FIG. 3, the wafer 21 is omitted and the pad 25 is used to fix the conductive piston 14, solder 21a containing the desired impurity o If the pellet 25 is N type germanium,
one can use a solder 21 a consisting, for example, of 85 lead and 15% antimony, and heat to 250 degrees C .; a similar solder can be used, containing indium instead of antimony if the pellet 25 is of germanium of the Po type The establishment of a good contact., resulting from a slight diffusion of the impurity in the ger- manium, is ensured by a weld carried out under the required conditions of heat and duration.
The mounting of the pellet on the plate 21 or its fixing on the piston 14 by means of the weld 21a, can be carried out before, after or during the formation of the transition layer 22. The layer 22 is formed by the penetration of the impurity film 20 into the pellet 25 to a depth of less than, preferably, 0.0025 cm.
When 20 is an indium film. \) The appropriate diffusion depth is obtained by heating the assembly for about half an hour at a temperature between 400 and 600 degrees Co; for antimony, the same time is heated to 650 degreeso An alloying phenomenon normally accompanies the diffusion of impurities but it remains superficial, and the PN transition layer is formed at the limit of penetration of the impurity broadcast .. The op-. The ration is preferably carried out in an atmosphere exhibiting no chemical reaction with the impurity used, such as pure argon. For this reason, it is preferred to make the transition layer 22 before mounting the pellet 25 on the piston 14.
Two similar heating cycles allow, one to diffuse the film 20 in the upper face of the pellet, the other the diffusion of the wafer 21 in the lower face.
The temperatures used for these two operations depend above all on the nature of the impurities chosen and are between 200 and 700 degrees C. for all known donors and acceptors. As a general rule, the lowest temperature that can be used is the one where the impurity begins to "mold" the germanium. \) That is, the one where a start of penetration For indium, for example, this temperature is around 250 degrees, while it is 600 degrees for antimony.
On the other hand, the highest temperature is that at which germanium begins to melt, around 950 degrees, but it is not advisable to exceed 800 degrees, given the difficulty of controlling the rate of diffusion of the impurity at such temperatures The exact temperature and duration will be determined by carrying out some preliminary tests or by referring to chemistry and physics textbooks giving the diffusion properties of the element chosen In general, the longer the duration, the greater the penetration of the impurity is deep; the higher the temperature, the greater the depth and concentration of alloyed or diffused impurity in germanium.
A convenient method of determining the exact position of the transition layer 22 in the test pieces is to cut the piece in a direction which makes an acute angle with the planes of the large surfaces of the pad 25, in such a manner. that the section plane intersects said layer o A hot metal probe is moved along the cut plane until the deflection of a galvanometer, in series with the probe, changes direction; the point where the deviation is zero indicates the position of the P-N transition layer.
This method is based on the fact that the probe and the germanium surface constitute a thermo-couple in which is established '
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a thermoelectric voltage, the polarity of which depends on the type of conductivity of germaniumo The process for producing P-N transition layers by diffusion of impurities is described in detail in the principal patent.
The pellet 25, thus prepared, comprises various superimposed zones which are presented as follows, from the top the film 20 has disappeared or almost, giving rise to a very thin zone 24 with a thickness less than 0, 0025 cm. strongly impregnated with Impurity from which the film 20 was formed. At 24 is connected the conductive strip 17, as it appears in figo 2.
Below zone 24 is the transition layer
22; finally, the base of the pellet is formed by a zone 23, the conductivity of which is of the opposite type to that of 240
When the incident light falls on the upper face of the pellet 25, it passes through what remains of the film 20 and the zone 24 to strike the transition layer 22 and give rise to a photoelectric voltage between the terminals 15 & 160 Si, by means of an external source connected to conductors 15 & 16, in series with an impedance, an electric current is applied to the terminals of the PN transition layer, the incident light can be used to control the intensity of the current flowing in this external circuit and vary, accordingly,
the voltage appearing at the terminals of the impedance o The photosensitive element 13 is also a device with unidirectional conductivity and, therefore, rectifies the alternating current of the circuit o A greater photoelectric effect has been observed when the current flows in the sense that the transition layer element exhibits high resistance
In Figure 3, there is shown an alternative embodiment of the element 13 where the impurity deposited on the pellet is in the form of a sort of grid with parallel threads 26, instead of a homogeneous film as previously o L the thickness of the grid is of the same order of magnitude as that of the film 20;
the deposition is carried out in the same way - by evaporation or projection - but this time, a mask is used to mask the regions of the pellet not to be covered o After deposit of the impurity, the mask is removed and the 'the PN transition layer is prepared, as explained above o The assembly is then etched by means of a chemical or electrolytic stripper, to remove surface impurities and thus avoid short-circuiting the voltage photoelectric pickling generally forms small cavities 27 around the wires 26.
The arrangement of FIG. 3 favors the homogeneity of the P-N transition layer and reduces the risks of formation of insensitive zones which weaken the total sensitivity of the device9 as was stated in the principal patent.
The elements with a PN transition layer, produced according to the invention and appearing in FIGS. 2 & 3, are sensitive to all the radiations of the spectrum, including infra-red and ultra-violet rays, this thanks to the very small thickness. the zone that the incident light must pass through, before reaching the transition layer;
this zone having a thickness less than 0.0025 cm, the absorption of light radiations by germanium is almost zero
FIG. 4 shows an alternative embodiment of the photoelectric cell according to the invention, which is particularly sensitive to the infra-red band of the spectrum. The cell 30 comprises a cylindrical metal casing 31, provided at its base with a flange 32 comprising an internal support which serves to make one of the connections of the photoelectric element o The other terminal is formed by a conductor 33, inserted in an insulating cover 34, at the upper end of the cell o L 'transition layer element 35, shown in detail in Figure 5, comprises a circular germanium pellet 36,
mounted on a conductive element 37 in the form of a funnel widening towards the base of the cell 30. The pellet 36 has a thickness between 0.013 and 0.13 cm and a diameter close to 1.3 cm - the latter dimension not being criticized The support 37 serves to direct the light on the underside of the pellet 36; we gave this sur-
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face a spherical shape, by grinding or pickling, and it acts as a lens, as explained below.
The conductive element 37 completely surrounds the pellet 36, to which it is preferably sealed. A strip 38, fixed to the projection 39 of the conductor 33, connects the latter to the impurity 40 which is present below. ball shape at the center of the top face of the pad 36. The top face of the transition layer member 35 is preferably etched for the reasons given above; this operation defines a groove 45. An impurity 419 introducing a conductivity of the type opposite to that imparted by the impurity 40, is fixed, in the form of a solder, to the base circumference of the pellet 36.
It serves to improve the contact between the pellet and the conductor element and to facilitate the extraction or absorption of electrons in the P-N transition layer; it plays the same role as the plate 21 or the weld 21a of the cell 100
The impurity spherule 40 can also be in the form of a weld and the transition layer 42 forms under the spherule as a result of the diffusion of the impurity in the pellet 36, under the action of heat, as it has. been said above But., in cell 30 it is necessary that the PN transition layer form within 090025 cm of the surface, as was the case in cell 100 Indeed, for most applications. cations,
it is better for the duration or the heating temperature to be somewhat greater than that mentioned in the description of FIG. 2, so that the transition layer is closer to the underside of the pellet; the maximum depth at which the transition layer can be found is, for example, 0.012 cm for a pellet of maximum 0.037 cm thickness o Given the uniform rate of diffusion of impurity 40 in all directions , a zone 43 strongly impregnated with impurity is formed under the spherule; the transition layer 42, which is in the form of a spherical cap., is located between the zone 43 and the part 44 of the pellet, located outside the diffusion zone.
The underside of the pellet 36, also spherical, acts, given its high refractive index, like a convex lens which concentrates the light incident on the P-N transition layer. By virtue of this arrangement and the funnel shape of the conductive element 37, the cell 30 can be made sensitive to relatively weak light.
A PN transition layer element produced according to the invention, the pellet of which is 0.05 cm thick and the transition layer of which is situated 0.012 cm below the spherule of impurities delivers a quiescent current of 20 milliamps? when applying an inverse potential difference of 15 volts across this element,
and a current of 30 milliamers when the cell is illuminated, thus powered, by a 60 watt tungsten filament lamp., placed at a distance of 3.7 cmo. The light emitted by the lamp is largely infrared. Since ger- manium absorbs visible and ultra-violet light more easily than infrared, cell 30 is much more sensitive to the latter than to all the other radiations of the spectrumo A pellet of 0.04 cm d 'thickness, of which the PN transition layer is situated at 0.012 cm from the surface, very strongly attenuated all radiations, except infra-reds'
In Fig. 5, the impurity spherule 40 is indium and the impurity ring 41 is antimony.
Zone 43 therefore has type P conductivity, while that of zone 44 is type N. This is given only by way of example.