DEG0010025MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 18. Oktober 1952 Bekanntgemacht am 26. Juli 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Photozellen und bezieht sich auf eine Photozelle aus Germanium mit Inversionsschicht.

Es ist bekannt, daß, wenn Licht auf die Berührungssteile einer Punktelektrode mit einem Germaniumkörper trifft, eine photoelektrische Wirkung beobachtet werden kann, welche sich durch das Auftreten einer photoelektrischen Spannung zwischen der Punktelektrode und dem Germamiumkörper oder durch eine Lichtabhängigkeit des schon vorher fließenden Stroms nachweisen läßt. Wegen der kleinen Fläche der Punktelektrode auf dem lichtempfindlichen Germanium ist dieser photoelektrische Effekt sehr klein, und es ist schwierig, geeignete optische Einrichtungen zu schaffen, um das einfallende Licht auf den aktiven Bereich des Punktelektrodenkontaktes zu konzentrieren.

Es ist ebenfalls bekannt, daß bei P-N-Germanium ein gleichartiger photoelektrischer Effekt zwischen dem P-Bereich und dem N-Bereich auftritt, wenn Licht auf die P-N-Schicht auffällt. Der Ausdruck »Germanium mit P-N-Schicht« wird in der nachfolgenden Beschreibung zur Definition eines Germaniumkörpers verwendet, der einen P-Bereich besitzt, ferner einen N-Bereich und eine zwischen diesen beiden Bereichen liegende so-

609' 575/424

G 10025 VIIIc/21g

genannte Inversionsschicht. Unter N-Germanium wird dabei' solches Germanium verstanden, welches negative Stromträger besitzt, die auf ein Überwiegen von negativen Stromträgern über die positiven Stromträger zurückzuführen sind. Umgekehrt wird unter P-Germanium ein solches Germanium verstanden, welches positive Leitungseigenschaften besitzt, die auf ein Überwiegen der positiven Stromträger über die negativen zurückzuführen sind.

Die negativen Stromträger werden hauptsächlich durch Überschußelektronen gebildet, während Defektelektronen, die man gewöhnlich als positive Löcher bezeichnet, die positiven Stromträger bilden. N-Germanium entsteht normalerweise durch

_tg Anwesenheit von sehr kleinen Mengen bestimmter charakteristischer Verunreinigungen, wie Antimon, Phosphor und Arsen, die Spender genannt werden und eine höhere Valenz als Germanium besitzen und deren Wirksamkeit darin besteht, daß sie Überschußelektronen in das Germaniummaterial .hineinliefern. P-Germanium entsteht normalerweise durch die Anwesenheit von sehr kleinen Mengen einer anderen Art von charakteristischen. Verunreinigungen, wie Aluminium, Gallium und

₂g Indium, d.h. von Verunreinigungen, die. Akzeptoren genannt werden und eine niedrigere Valenz als Germanium besitzen und deren Wirksamkeit darin besteht, daß sie Elektronen.fehlstellen oder Defektelektronen in dem Germaniummaterial ergo zeugen. Um Germaniumkörper mit P-N-Schichten, . welche nutzbare photoelektrisohe Eigenschaften zeigen, herzustellen, kann man zweckmäßig nahezu reines Germanium verwenden, welches einen spezifischen Widerstand von wenigstens 2 Ohm/cm hat uinid das nur verschwindende Mengen einer die Leitfähigkeit beeinflussenden Verunreinigung aufweist.

Die photoempfindlichen P-N-Schichten in solchen Germaniumkörpern können eine viel größere Fläche

einnehmen, als sie in der Umgebung einer Punktelektrode auftreten, und die photoelektrischen Effekte, die man theoretisch an solchen P-N-Schichten erhalten kann, sind daher viel größer als die Effekte an Punktelektroden. Jedoch ist die volle Nutzbarmachung des Photoeffekts an einer P-N-Schicht bisher noch durch verschiedene Schwierigkeiten behindert worden, die mit der Natur solcher P-N-Schichten zusammenhängen. So sind beispielsweise die P-Schicht und die N-Schicht in einem Germaniumkörper auf beiden Seiten der P-N-Schicht von recht erheblicher Dicke. Wegen der geringen Lichtdurchlässigkeit von Germanium, insbesondere der geringen Durchlässigkeit für sichtbares und ultnavliolettes Licht, ist es bisher nur als möglich angesehen worden, die . P-N-Schiicht parallel zur'Germaniumplatte zu bestrahlen. Dann trägt aber praktisch nur die beleuchtete Kante der P-N-Schicht zum photoelektrischen Effekt bei, während die weiter im Körperinnern liegenden Teile der P-N-Schicht unbenutzt bleiben.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine Germanium-Photozelle mit P-N-Schicht zu schaffen, welche eine größere aktive photoempfindliche Fläche hat als Germanium-Photozellen mit Punktelektrodenkontakt oder die üblichen, praktisch nur mit Kantenbeleuchtung der P-N-Schicht arbeitenden Germanium-Photozellen.

Weiterhin war eine P-N-Schicht-Photozelle zu schaffen, welche für Licht im infraroten, im sichtbaren und im ultravioletten Teil.. des Spektrums empfindlich ist, obwohl das Licht einen Teil des Germaniumkörpers durchsetzen muß, bevor es die innere P-N-Schicht erreicht. Außerdem soll die Photozelle für ein bestimmtes engeres Band des Spektrums empfindlich sein, insbesondere für das infrarote Band, und es soll eine Germanium-Photozelle mit P-N-Schicht geschaffen werden, bei welcher das Licht mit sehr einfachen Mitteln auf die P-N-Schicht konzentriert wird.

Die Photozelle besteht aus einem eine P-N-Schicht aufweisenden Germaniumkörper in Form einer Scheibe, deren Gesamtdicke nicht mehr als 0,125 cm beträgt und in welcher die P-N-Schicht im wesentlichen parallel, zu ~den , beiden Außenflächen der Scheibe verläuft und eine Innenschicht bildet. Die Länge und die Breite der Scheibe sind nicht kritisch; man kann beide Abmessungen etwa in der Nähe von 635 mm wählen. Auf dem P- und dem N-Bereich auf beiden Seiten der P-N-Schicht sind getrennte Elektroden angebracht, und es sind Mittel vorgesehen, um das Licht entweder durch die P-Schicht oder durch die N-Schicht auf die ganze Fläche der inneren P-N-Schicht zu lenken, d. h. das Licht praktisch senkrecht zur Ebene der P-N-Schicht einfallen zu lassen. Die Lage der In-Versionsschicht als auch die Dicke der Scheibe können bei der Herstellung gewählt werden, so daß die Zelle auf das ganze Spektralgebiet mit Einschluß' seines ultravioletten und seines infraroten Teils anspricht oder auf einen Bruchteil des Spektralgebiets in der Nähe des infraroten Teils.

Bei der Photozelle mit flächenhafter Inversionsschicht, z. B. P-N-Schicht aus einer Germaniumscheibe von nicht mehr als 0,125 cm Dicke, soll erfindungsgemäß in dieser Scheibe auf der einen Seite eine Schicht von weniger als 0,0025 cm Dicke durch Eindiffundieren einer Verunreinigung erzeugt sein, welche Stromträger eines bestimmten Vorzeichens, z. B. P-Schicht, hervorruft, während der Rest der Scheibe Leitungseigenschaften des entgegengesetzten Vorzeichens, z. B. N-Leitung, aufweist und durch die Inversionsschicht von dem durch eindiffundierte Verunreinigungen beeinflußten Teil der Scheibe getrennt ist, wobei das Licht durch die eindiffundierte Schicht hindurch praktisch senkrecht auf die Inversionsschicht fällt.

Bei weiterer Ausgestaltung der Photozelle vorliegender Bauart läßt man das .Steuerlicht auf die andere Stirnfläche der Germaniumscheibe fallen, so daß das Licht, bevor es die Inversionsschicht erreicht, praktisch die ganze Scheibendicke durchsetzen muß. Wegen der hohen Absorptionsfähigkeit von Germanium für Licht kürzerer Wellenlängen, ale sie im Imfrarotgiebiet vorliegen, sind derartige Photozellen dann in erster Linie für infrarotes Licht empfindlich und können zur Anzeige oder Ausfilte-

609' 5T6/424

G 10025 VIIIc/21g

rung des Infrarotanteils aus einem Lichtstrahlenbündel benutzt werden. Die Empfindlichkeit für sichtbares und ultraviolettes Licht hängt von der Dicke des Germaniummaterials ab, welches dieses Licht vor der Erreichung der Inversionsschicht durchsetzen muß, und kann bei der Herstellung der Zelle dadurch beeinflußt werden, daß man die Tiefe, in welcher die Inversionsschicht erzeugt wird, entsprechend wählt, oder auch dadurch, daß man die

ίο Dicke der Scheibe z. B. durch Abschleifen oder durch Abätzen nach der Erzeugung der Inversionsschicht noch ändert.

Wenn das einfallende Licht vor der Erreichung der Inversionsschicht eine nennenswerte Schichtdicke des Germaniums durchsetzt, so kann man auch das Licht auf die Inversionsschicht dadurch fokussieren oder konzentrieren, daß man der bestrahlten Scheibenoberfläche eine solche Form gibt, daß diese vermöge ihres hohen Brechungsindex selbst als Linse wirkt.

Fig. ι ist ein Schnitt durch eine Photozelle nach der Erfindung;

Fig. 2- ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung des aktiven P-N-Elementes in einer Zelle nach Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer konstruktiven Ausführung eines P-N-Elementes in der Zelle nach Fig. 1;

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Photozelle der vorliegenden Art, und

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Darstellung, welche Einzelheiten der .Konstruktion nach Fig. 4 erkennen läßt.

In Fig. ι besteht die Photozelle 10 aus einem äußeren zylindrischen Gehäuse 11 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Hartgummi, Bakelit oder einem anderen Kunststoff. Das Gehäuse 11 trägt an seinem oberen Ende eine Linse 12, und in sein unteres Ende ist die aktive Zelle 13, die mit geeigneten Anschlüssen versehen ist, eingesetzt. Die Zelle 13 besteht aus einer flachen Germaniumscheibe 25, auf welche das durch die Linse 12 konzentrierte Licht auffällt. Man erkennt, daß die Linse 12 auch fortgelassen werden kann und das Gehäuse 10 entsprechend verlängert werden kann. Die Germaniumscheibe 25 enthält eine P-N-Schicht und ist auf einer leitfähigen Scheibe oder Unterlage 14 angebracht, welche vorzugsweise aus einem Stoff wie Fernico, nämlich einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit demselben thermischen Expansionskoeffizienten wie Germanium, bestehen kann. Mit der Unterlage 14 ist eine Zuleitung 15 in geeigneter Weise, z. B. durch Löten, verbunden. Durch die Seitenwand des Gehäuses 11 ist ferner eine weitere Zuleitung 16 hindurchgeführt, die durch eine kurze Verbindungsleitung 17 beispielsweise durch Punktschweißung an einem Absatz der Zuleitung 16 befestigt ist. Die kurze Leitung 17 soll vorzugsweise biegsam ausgeführt sein und läßt sich z. B. aus einigen Lagen einer Metallfolie herstellen, die elektrisch mit der bestrahlten Oberfläche des aktiven Elements 13 verbunden werden.

In Fig. 2 sind die Einzelheiten des aktiven Elements 13 zu erkennen. Dieses Element 13 besteht, wie bereits erwähnt, aus einer dünnen Germaniumscheibe 25 von den im übrigen nicht kritischen Seitenabmessungen von 0,635 ^cm· Die Dicke t soll jedoch nicht größer als 0,125 cm gewählt werden und vorzugsweise weniger als 0,0125 cm betragen. Die bestrahlte Fläche der Scheibe 25 ist mit einem sehr dünnen Überzug 20 einer Stromträgerverunreinigung versehen. Dieser Überzug 20 kann auf der _: Scheibe 25 beispielsweise durch Verdampfung aufgebracht werden. Zweckmäßig wird die Oberfläche der Scheibe 13 vor Anbringung dieses Überzugs poliert und geätzt. Wenn man den Überzug 20 auch auf den Seitenflächen der Scheibe 25 anbringen würde, würde dies jedoch einen Kurzschluß der P-N-Schicht bedeuten, d. h. also, daß derartige auf den Seitenflächen während der. Verdampfung entstehende Überzüge durch Abschleifen oder durch Abätzen wieder entfernt werden müssen. Der Überzug wird somit auf die obere Stirnfläche der Scheibe 25 beschränkt und soll eine gleichmäßige Dicke von vorzugsweise nicht mehr als 0,4 μ besitzen, wobei sich Überzugsdicken von etwa 0,1 μ am besten bewährt haben. In Fig. 2 ist die Dicke des Überzugs 20 stark vergrößert dargestellt. Die Art des zu wählenden Überzugsmaterials hängt von den Eigenschaften des für die Scheibe 25 gewählten Germaniums ab. Wenn das als Ausgangsmaterial gewählte Germaniumstück für die Scheibe 25 vom N-Typus ist, muß der Venunreinigungsüberzug aus einem Akzeptor, wie Aluminium, Gallium oder Indium, bestehen, wobei sich Indium im allgemeinen am besten bewährt. Wenn es sich jedoch um eine Scheibe 25 aus P-Germanium handelt, muß der Überzug ein Donator, wie Antimon, Phosphor oder Arsen, sein und soll vorzugsweise aus Antimon bestehen. Wenn die Scheibe 25 weder vorwiegend ein N-Germanium noch ein P-Germanium ist, d. h. wenn sie aus außergewöhnlich reinem, fast eigenleitendem Germanium besteht, so kann man als Überzug 20 entweder einen Akzeptor oder einen Donator verwenden. Die Verfahren zur Aufbringung dünner Überzüge dieser Verunreinigungselemente sind an sich bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.

Wenn die Scheibe 25 aus N-Germanium besteht', wird ferner vorzugsweise, wenn auch nicht notwendigerweise, die untere Stirnfläche der Scheibe 25 leitend auf einer Platte 21 des Donatorelements, vorzugsweise aus Antimon, befestigt. Wenn umgekehrt die Platte 25 aus P-Germanium besteht, soll die Scheibe 25 vorzugsweise auf einer Platte 21 einer Akzeptorverunreinigung z. B. aus Indium befestigt werden. Besteht die Scheibe 25 dagegen aus neutralem Germanium, so muß man das Verunreinigungselement, nämlich die Platte 21, so wählen, daß es Stromträger von umgekehrtem Vorzeichen, als sie der Überzug 20 liefert, erzeugt, und diese Platte muß mit der Unterseite der Scheibe 25 in leitende Verbindung treten.

Das Verunreinigungselement, aus dem die Platte 21 besteht, geht eine teilweise Legierung mit der

609' 576/Φ24

G 10025 VIII c/21g

Unterseite der Scheibe 25 ein bzw. diffundiert innerhalb gewisser Grenzen an der Unterseite in die Scheibe 25 hinein, wenn man eine geeignete Wärmebehandlung anwendet. Die Eindringtiefe bei diesem Diffusionsvorgang ist nicht kritisch, solange die Diffusion, sich nicht auf die gesamte Dicke der Scheibe 25 ausdehnt. Die Temperatur und die Behandlungszeit, die man für diese begrenzte Diffusion benötigt, wird weiter unten an Hand der

Bildung der Inversionsschicht 22 noch behandelt werden. Die Platte 21 wird auf der Unterlage 14 aufgelötet und liefert bzw. absorbiert Elektronen, so daß eine gute Leitung der gewünschten Art zwischen der Scheibe und dem Zuleitungsstab 15 zustande kommt. Bei .einer anderen im Fig. 3 dargestellten Ausführungsform hat sich die Anwendung einer Schicht eines Lötmittels 2i_a, welches das gewünschte Veruinreiniigungselement enthält, an Stelle der Platte 2-1 zur unmittelbaren Befestigung der Scheibe 25 auf der leitenden Unterlage 14 bebewährt. Wenn die Scheibe 25 aus N-Germanium besteht, kann man ein Lötmittel 21 _a, z.B. 85% Blei und 15⁰Zo Antimon bei einer Löttemperatur von 250⁰ C, zur Befestigung der Scheibe 25 auf

der Unterlage 14 benutzen. Ein ähnliches Lötmittel unter Verwendung von Indium an Stelle von Antimon läßt sich bei Benutzung einer P-Germaniumscheibe 25 verwenden. Der erforderliche gute elektrische Kontakt, der schon bei einer geringfügigen Legierung oder Diffusion des Verunreinigungselementes mit der Scheibe bzw. in die Scheibe 25 eintritt, wird durch eine genügend hohe und zeitlich genügend ausgedehnte Erwärmung beim Löten erreicht.

Die Scheibe 25 kann auf der Platte 21 oder der Unterlage 14 mittels des Lotes 21 _a entweder vor oder nach oder auch gleichzeitig mit der Bildung der P-N-Schicht 22 befestigt werden; Die P-N-Schicht wird durch Erzeugung einer Diffusion des Verunreinigungsüberzugs in die Germaniumscheibe 25 bis zu einer Eindringtiefe von vorzugsweise weniger als 25 μ erzeugt. Bei Verwendung von Indium für den Überzug 20 kann man eine geeignete Diffusionstiefe durch Erwärmung auf 400 bis 6oo° C für die Dauer von etwa ¹Za Stunde erzielen. Bei Verwendung von Antimon eignet sich eine gleich lange Erhitzungsdauer auf etwa 650⁰ C. Der Diffusionsvorgang wird normalerweise von einer Legierungsbildung begleitet, je- doch besitzt der Diffusionsvorgang offenbar eine größere Eindringtiefe, und die P-N-Schicht 22 entsteht an der Grenze des Diffusionsgebietes. Die ' P-N-Schicht 22 wird vorzugsweise in einer Atmosphäre von reinem Argon hergestellt, welches chemisch gegenüber des jeweiligen Verunreinigungsmaterials inaktiv ist. Daher wird die Diffusion des Überzugs 20 in die Scheibe 25 vorzugsweise in einem getrennten Erhitzungsvorgang vor der Befestigung der Scheibe 25 auf der Unterlage 14 vorgenommen. Die Diffusion des Verunreinigungs-. materials, aus welchem die Platte 21 besteht, in die Unterseite der Scheibe 25 kann ebenfalls mittels eines derartigen Erhitzungsvorgangs bewerkstelligt werden. Die Temperaturen, die zur Bildung der Inversionsschicht 22 und zur Bewerkstelligung des Hineindiffundierens des Materials der Platte 21 oder des Verunreinigungslotes 2i_e, angewendet werden, hängen in weiten Grenzen von dem jeweils verwendeten Verunreinigungsmaterials ab. Für praktisch alle Akzeptor- und Donatorelemente findet eine Diffusion zwischen 200 und 700⁰ C statt. Die untere Grenze dieses Temperaturbereichs bedeutet, daß das betreffende Verunreinigungselement das Germanium zu benetzen beginnt, d. h. daß ein gewisses Eindringen erkennbar wird. Bei Indium liegt diese Benetzungstemperatur bei etwa 250⁰ C, während sie bei Antimon bei etwa 6oo° C liegt. Die obere Grenze des angegebenen Temperaturbereichs ist durch die Schmelztemperatur des Germaniums, die gewöhnlich bei'etwa 950⁰ C liegt, bestimmt. Jedoch sind Temperaturen über 8oo° C nicht empfehlenswert, da es dann schwierig wird, die Diffusionsgeschwindigkeit zu beeinflussen. Die Temperaturhöhe und die Behandlungsdauer zur Erreichung eineis gewünschten Eindringens läßt sich leicht durch einige Vorversuche bestimmen oder aus der Literatur über die Diffusionseigensehaften der verschiedenen verwendeten Elemente verwenden. Im -allgemeinen wird bei längerer Behandlungsdauer auch eine größere Eindringtiefe erreicht, und ferner wird bei: höheren Temperaturen eine größere Eindringtiefe und eine stärkere Konzentration der in das Germanium eindiffundierten Verunreinigung erzielt.

Ein bequem gangbarer Weg zur Bestimmung der Lage der P-N-Schicht 22 besteht darin, daß man die fertige Photozelle unter einem sehr spitzen Winkel zu ihrer Dickenrichtung schneidet und einen heißen metallischen Draht über die Schnittfläche führt, bis ein an den Draht angeschlossenes Galvanometer seine Ausschlagsrichtung umkehrt. Der Ausschlag Null zeigt dann die Lage der Inversionsschicht an. Dieser Versuch beruht auf dem Auftreten eines Thermoeffektes zwischen dem Draht und der Germanium-Schnittfläche, der eine thermoelektrische Spannung von einer bestimmten Polarität zwischen dem heißen Draht und dem P-Germaniuni zur Folge hat, während eine thermoelektrische Spannung von umgekehrtem Vorzeichen auftritt, wenn der heiße Draht das N-Germanium berührt.

-Da der Verunreinigungsüberzug 20 gleichmäßig dick ist und die ganze Scheibe einen gleichmäßigen Erwärmungsvorgang durchgemacht hat, tritt die P-N-Schicht 22 als innere Schicht sehr nahe an dem belichteten Überzug 20 auf. Wegen des Eindringens des Überzugs 20 in die Germaniumscheibe bei der Bildung der P-N-Schicht bleibt nur ein sehr geringer Rest dieses Überzugs oder überhaupt kein Rest auf der Germaniumfläche übrig. Auf einer Seite dieser Inversionsschicht 22 liegt dann ein Germa- ¹^o niumbereich 23, der je nach den ursprünglichen Eigenschaften der Scheibe 13 entweder N- oder P-Charakter hat oder der für den Fall, daß das Ausgangsmaterial neutrales Germanium war, je nach den Leitfähigkeitseigenschaften, die durch das Eindiffundieren des Materials der Platte 21 oder

576/424

G 10025 VIIIc/21g

des Lotes 2ΐ_α erzeugt worden waren, entweder N- oder P-Charakter hat. Auf der anderen Seite der Inversionsschicht 22 liegt eine sehr dünne Schicht 24 von weniger als 25 μ Dicke, die stark mit dem Material des Überzugs 20 imprägniert ist und die entgegengesetzten Leitfähigkeitseigenschaften besitzt wie das Gebiet 23. Das Gebiet 24 liegt zwischen - der Inversionsschicht 22 und dem gegebenenfalls noch unabsorbiert gebliebenen Überzug 20. Die Verbindungsleitung 17 ist elektrisch an dieses Gebiet 24 oder an den Rest des Überzugs 20 angeschlossen.

Wenn auf die Oberseite der Scheibe 25 Licht fällt, so tritt dieses durch den eventuell vorhandenen Rest des Überzugs 20 sowie durch den Bereich 24 hindurch und trifft die Inversionsschicht 22, so daß eine photoelektrische Spannung zwischen den Klemmen 15 und 16 auftritt. Wenn aus einer äußeren Stromquelle ein Strom über einen äußeren

ao Widerstand durch die P-N-Schicht hindurchgeleitet wird, kann mittels des auffallenden Lichtes die Größe dieses Stromes und somit auch der Spannungsabfall am Widerstand gesteuert werden. Man sieht, daß der P-N-Körper 13 außerdem Gleichriehtereigenschaften hat, so daß man in dem erwähnten äußeren Kreise gleichzeitig einen Wechselstrom gleichrichten kann. Versuche haben ergeben, daß der photoelektrische Effekt solcher P-N-Körper größer ist, wenn der Strom in der Richtung des größeren Innenwiderstandes hindurchfließt, als wenn die Stromrichtung diejenige ist, in der der kleinere Innenwiderstand auftritt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausfübrungsform für die Elektrode des P-N-Körpers 13 dargestellt, bei welcher das Verunreinigungselement nicht als ein zusammenhängender Überzug, sondern in Gitterform, vorzugsweise in Form von parallelen Streifen 26, aufgebracht ist. Die Dicke dieser Streifen ist von derselben Größenordnung wie die Dicke des Überzugs 20, und die Streifen können auf die Scheibe 25 in .derselben Weise wie der Überzug 20, also z. B. durch Verdampfung, angebracht werden. Der Niederschlag des Verunreinigungselementes wird auf die gewünschten Niederschlagsflächen durch geeignete Masken begrenzt, welche die frei zu lassenden Teile der Oberfläche der Scheibe 25 abdecken. Nachdem der Überzug in der gewünschten Gitterform hergestellt ist, wird die Maske entfernt und die P-N-Schicht durch einen geeigneten Erbitzungsvorgang ebenso wie bei Fig. 1 und 2 hergestellt. Nach Herstellung der P-N-Schicht wird die betreffende Fläche des Germaniums vorzugsweise auf chemischem oder elektrolytischem Wege abgeätzt, um etwaige Oberflächenverunreinigungen und Kurzschlüsse der photoelektrischen Spannung dort zu vermeiden, wo die P-N-Schicht zwischen den Drähten 26 an die Oberfläche der Scheibe 25 tritt. Durch den Ätzprozeß werden im allgemeinen kleine Löcher 27 an den Kanten der Streifen 26 erzeugt. Der Vorteil einer Anordnung nach Fig. 3 besteht darin, daß die kleine Gesamtfläche der P-N-Schicht auch die Möglichkeit des Auftretens von sogenannten Fehlern oder unempfindlichen Bereichen in der P-N-Schicht vermindert, welche die Gesamtempfindlichkeit der Photozelle herabsetzen würde.

Man sieht, daß bei einer P-N-Zelle nach Fig. 2 und 3 das auffallende Licht nur eine sehr geringe Materialstärke durchsetzen muß, bevor es auf die P-N-Schicht 22 auftrifft. Wegen der Legierungsbildung und der Diffusion des Films 20 fällt der verbleibende Überzug, wenn er überhaupt noch vorhanden ist, sehr viel dünner aus als der · ursprüngliche Überzug von 0,1 μ Dicke, und die Inversionsschicht liegt weniger als 25 μ unter der Oberfläche der Scheibe 25. Das auffallende Licht wird daher vor der Erreichung der P-N-Schicht praktisch überhaupt nicht absorbiert, und die Zelle ist für den ganzen Spektralbereich mit Einschluß seines infraroten und seines ultravioletten Teils empfindlich.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform an Hand einer Photozelle 30 dargestellt. Diese besitzt ein äußeres zylindrisches Metallgehäuse mit einem ringförmigen Flansch 32 an seinem unteren Ende, der als untere Anschlußklemme dienen kann und sich in einer Art von Sockel bequem einschieben läßt. Durch eine Isolierkappe 34 ist eine Zuführungsleitung 33 als zweite Anschlußklemme für die Photozelle hindurchgeführt. Eine P-N-Zelle 35, die am bequemsten in Fig. 5 erkennbar ist, besteht aus einer Germaniumscheibe 36, vorzugsweise von Kreisform, die auf einem konischen Einsatz 37 befestigt ist, der sich am entgegengesetzten Ende des Rohres 31 befindet, wie die Kappe 34. Die Scheibe 36 kann eine Dicke zwischen o,oa4S ^{cm nn}^ 0,145 ^cm besitzen sowie einen im übrigen nicht kritischen Durchmesser von etwa 1,25 cm. Der eine Mittelöffnung aufweisende Einsatz 37 dient zum Durchtritt des Bestrahlungslicbtes auf die Unterseite der Scheibe 36, wobei diese Unterseite vorzugsweise z. B. durch Schleifen oder Ätzen sphärisch ausgebildet ist, so daß eine Linsenwirkung entsteht. Der Einsatz 37 umgibt die Scheibe 36 vollständig und wird mit ihr vorzugsweise hermetisch verschmolzen. Zwischen einem Absatz 39 der Zuleitung 33 und einer Verunreinigung in Form eines kleinen Tropfens in der Mitte der Oberfläche der Scheibe 36 ist noch ein Elektrodenanschluß 38 angebracht. Dife obere Fläche der Photozelle 35 ist vorzugsweise geätzt, um Oberflächenverunreinigungen oder Kurzschlüsse der Inversionsschicht 42 an denjenigen Stellen, an denen diese an die Oberfläche tritt, zu vermeiden. Eine Verunreinigung 41, welche Stromträger von umgekehrtem Vorzeichen wie der Verunreinigungstropfen 40 erzeugt, wird vorzugsweise in Form eines Lotes am Umfang der Unterseite der Scheibe 30 angebracht. Die Verunreinigung 41 dient zur gut leitenden Befestigung auf dem Einsatz 37 und zur Unterstützung des Freiwerdens oder der Absorption von Elektronen in der P-N-Zelle, ebenso wie die Platte 21 oder das Lot 2i_a in Fig. 2 bzw. 3.

Der Verunremigungstropfen 40 läßt sich auch bequem in Form eines Lotes anbringen, und die i»5 Inversionsschicht 42¹ wird unterhalb dieses Lot-

609 576/424

G10025 VIII c/21g

tröpfchen« durch Eindiffusion¹ in die Scheibe 36 im Verlauf, eines geeigneten Erhitzungsvorganges ebenso'wie bei der Photozelle 10 erzeugt. Es ist aber* bei' der Photozelle 30 nicht nötig, die P-N-Schicht in geringerer Tiefe als 25 μ unter der Oberfläche der Scheibe wie bei der Photozelle 10 zu

■ · erzeugen. Es ist vielmehr für die meisten Zwecke von Vorteil, die Erhitzungsdauer oder die Temperaturwerte'etwas höher zu'wählen als'für die Herstellung der P-N-Schicht bei der Zelle 10, so daß die Inversionsschicht näher an der belichteten

·". Seite der Scheibe 36, liegt, also bei einer maximalen Scheibendicke von 0,375^cm maximal in 125 μ Tiefe. Wegen der gleichmäßigen Diffusionsgeschwindigkeit des Verunreinigungstropfens 40 nach allen Richtungen entsteht ein mit dem Material von 40 stark imprägnierter zentraler Bereich

43, an den sich die Inversionsschicht 42' in der Form eines Kugelsegmentes anschließt, auf welches

dann der Bereich 44 folgt.. .■■■■ ·-'

Die Unterseite der Scheibe 36 wird vorzugsweise

.' ebenfalls sphärisch ausgebildet, so daß sie vermöge ihres hohen Brechungsindex das auffallende Licht auf die zentral gelegene Inversionsschicht 42 konzentriert.' Wegen der reflektierenden Eigenschaften des konischen Einsatzes 37 und der lichtkonzentrie-

..- renden Wirkung der linsenförmigen Scheibe 36 selbst ist die Photozelle 30 in Fig. 4 verhältnismäßig gut empfindlich.

Eine Photozelle aus einer Scheibe von' 0,05 cm Dicke mit einer P-N-Schicht, die etwa 0,01125 ^cm

.: unter dem Verunreinigungstropfen 40 liegt, lieferte einen Dunkelstrom vbn 20 mA in der Sperrichtung bei 15 Volt äußerer'Spannung, der sich bei Beleuchtung durch eine 60-Watt-Wolframfadenlampe im Abstand von 3,8 cm auf 30 rtiÄ erhöhte. Das von einer Wölframfadenlampe ausgestrahlte Licht ist natürlich zum großen Teil infrarot. Wegen der höheren Absorptionsfähigkeit von Germanium für Licht im sichtbaren und ultravioletten. Spektralbereich im Vergleich zum infraroten Spektral-·

.'■·-. bereich ist die Photozelle 30 für infrarotes Licht sehr viel empfindlicher als für die anderen Spektralfarben. Wenn man annimmt, daß- die-Inversionsschicht in 0,125 cm Tiefe gebildet wird, so ergibt eine Scheibe 36 mit einer Dicke von etwa ^f· °.°375 cm ^eiⁿe sehr starke Lichtabschwächung außerhalb des Infrarotgebietes.

In Fig. 5 besteht der Verunreinigungstropfen 40 aus Indium und das Lot 41 aus Antimon. Die an den Tropfen 40 angrenzende Stelle der Scheibe 36

■^T; wird also zu P-Germanium, während der Bereich

44, der an das Lot 4!; angrenzt, N-Germanium ist. Die die Stromträger liefernden' Verunreinigungen sowohl wie die angrenzenden Germaniumbereiche können natürlich räumlich auch vertauscht werden, ' und man kann auch andere Akzeptoren und Donatoren an Stelle von Indium und Antimon verwenden. '.^;' ' ' ·"■'· ·-■.·■'■.'.■■ '

Man sieht also, daß eine^: Photozelle geschaffen ist, in welcher der ^ Halbleiterkörper mit seiner

·'■:' ■ P-N-Schicht eine Gesamtdicke von nicht mehr als 0,125 cm hat, daß dieser 'Zellenkörper gleichsam geschichtet ist und in seiner Di'ckenrichtung gesehen ein P-Gebiet, ein N-Gebiet und eine dazwischenliegende Inversionsschicht aufweist; An das N-Gebiet und ah--das ^;P-Gebiet sind¹ entweder unmittelbar oder über Verunreinigungsschichten, wie den Überzug 20,' die¹ .Plattest, das' Lot 21 _a, den Tropfen· 40 oder das Lot 41 Elektroden angeschlossen, die nicht nur zur Dotierung der Halbleiterscheiben 13 bzw. 35 während der Bildung der P-N-Schicht dienen, sondern auch einen besseren elektrischen Kontakt zwischen den dotierten Gebieten der Halbleiterscheiben 25 bzw. 35, und den Anschlußdrähten 15, 16 und 32, 33 bilden. Das einfallende Licht durchsetzt das eine der dotierten Gebiete und fällt auf die Inversionsschicht praktisch senkrecht auf. Das Gebiet 35, welches vom Licht durchsetzt wird, kann, wie bei der Zelle 10 dargestellt, dünner als 25 μ sein, so daß die Zelle auf das ganze Lichtspektrum anspricht, oder kann, wie bei der Zelle 30 ein Mehrfaches von 25 μ Dicke besitzen, so daß die Zelle praktisch nur auf das nahe Ultrarot anspricht. Außerdem kann der Verunreinigungsüberzug 20 in der Photozelle 10 dazu dienen, die Reflexion der bestrahlten Seite der Photozelle zu vermindern. Schließlich kann die Germaniumscheibe selbst, wie bei der Photozelle 3c dargestellt, so geformt werden, daß sie Linsenwirkung erhalt und das auffallende Licht auf die Inversionsschicht konzentriert.

Claims (7)

..: Patentansprüche?

1. Photozelle mit flächenhafter Inversionsschicht, z. B. P-N-Schicht aus einer Germaniumscheibe von nicht mehr als 0,125 cm Dicke, ■ dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Scheibe auf der einen Seite eine Schicht von weniger als 0,0025^cm Dicke durch Eindiffuridieren einer Verunreinigung erzeugt ist, welche Stromträger eines bestimmten Vorzeichens, z. B. P-Schicht hervorruft, während der Rest der Scheibe Leitungseigenschaften des entgegengesetzten Vorzeichens, z.B. N-Leitung, aufweist und durch die Inversionsschicht von dem durch eindiffundierte Verunreinigungen beeinflußten Teile der Scheibe getrennt ist, wobei das Licht durch die eindiffundierte Schicht hin-. durch praktisch senkrecht auf die Inversionsschicht fällt.

2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch ge- - kennzeichnet, daß in der Germäniumscheibe in der Richtung ihrer Dicke gesehen, die durch Eindiffusion einer positive Stromträger hervorrufende Verunreinigung erzeugte, vorzugsweise durchsichtige Schicht, die Inversionsschicht und eine durch Eindiffusion einer negative Stromträger hervorrufende Verunreinigung erzeugte Schicht aufeinanderfolgen. ' '

3. Photozelle nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe ■ aus N-Germanium besteht, auf deren Oberfläche sich ein Überzug- aus einer Akzeptorverunreinigung befindet, 'wobei diese Verunreinigung durch

; ^: Legieren oder durch Diffusion bis' zu einem

5T6/+24

G 10025 VIHc/21g

Bruchteil der Scheibendicke eindiffundiert ist, so daß an der Grenze dieser Eindringtiefe eine P-N-Schicht entsteht.

4. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus P-Germanium besteht und ihre Oberfläche einen Überzug einer Spenderverunreinigung trägt, die bis zu einem Bruchteil der gesamten Scheibendicke in die Scheibe eindiffundiert ist, so daß an der Grenze dieser Eindringtiefe eine P-N-Schicht entsteht.

5. Photozelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in die Scheibe bis zu einer Tiefe von nicht mehr als 0,0025 cm eindiffundiert ist und daß die P-N-Schicht weniger als 0,0025 cm unterhalb der bestrahlten Scheibenseite liegt.

6. Photozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenoberfläche auf der einen Seite sphärische Gestalt hat, so daß der angrenzende Teil der Scheibe als Linse zur Konzentrierung des einfallenden Lichtes auf die P-N-Schicht wirkt.

7. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Germaniumscheibe kreisförmig ausgebildet ist, wobei das Gebiet mit den bestimmten Leitungseigenschaften zentral auf der einen Seite der Scheibe liegt, während der Rest der Scheibe umgekehrte Leitungseigenschaften aufweist, und daß zwischen dem erwähnten zentralen Bereich und dem Rest der Scheibe eine P-N-Schicht liegt, wobei die Oberfläche des restlichen Scheibengebietes sphärisch geformt ist, so daß dieser restliche Teil· des Germaniums als Linse zur Konzentration des einfallenden Lichtes auf die P-N-Schicht wirkt. .

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 402 662; Physical Review, Bd. 80, 1950, Nr. 3, S. 467,468.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen