DE1589626A1

DE1589626A1 - Halbleiterdetektor fuer Infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE1589626A1
Application number: DE1967C0043042
Authority: DE
Inventors: Christian Jund; Raymond Poirier
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1967-08-04
Publication date: 1970-05-14
Also published as: DE1589626B2; GB1193445A; FR1500182A; US3493752A

Description

Dipl.-lng. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauler ·οοβ Mi.efc.. ·ο. 3.August 1967

Dipl.-lng. GoHfried Leiser ^Ernib '""'" ^{Patentanwälu} 1589626 Telegramms: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

Unser Zeichen: C 2^25

CSF-COMP/GNIE GENEHALE DE TELEGIiAPHIE SANS FIL k/, rue Dumoiit d'Urville, Paris 1o / Frankreich

Halbleiterdetektor für In t'raro ts t rahlung

Die Erfindung bezieht sich auf llalblei terdetektoren für Infrarots trahlung.

Ks ist bekannt, daß die Anzahl von Trägern in einem Halbleiter unter der Einu'irkun, des Lichts, d.h. eines Photonen-.tlii'ises verändert werden kann, iieiin die Energie tier Photonen »;eringer ist als die Hohe des verbotenen Bandes ergibt sich keine Wechselwirkung mit dem Halbleiter, welcher für die Strahluri ■; durchlässig ist. iv'enn andererseits die Energie der Photonen ji'iißfir ist als die Höhe des verbotenen Bandes, so erzen.·.t; jedes Photon ein Elelaroneii-Lochpaar, Die Anzahl der Trä/ver vermehrt sich, was zu einem Anwachsen der Leitfähigkeit rührt.. Dies ist die Erscheinung der "Pho tole L tf ähi^kiii t " ,

welche

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uelche allgemein die Grundlage für Anlagen zum Strahlungsnachweis ist.

Die auf der Erscheinung der Photoleitfähigkeit beruhenden Detektoren werden allgemein von einem Halbleiter gebildet, welcher mit zwei Kontakten versehen ist, an welche eine kontinuierliche Spannung angelegt wird. Der durch die freien Ladungsträger im Kristall fies Halbleiterkürpers erzeugte Strom wird an diesen Kontakten gesammelt, Die Amplitude dieses Stromes ist eine Funktion der Anzahl von Photonen, welche von dem Halbleiter absorbiert werden.

Wenn einer dieser Kontakte durch Zwischenschaltung eines Isoliormictels zwischen diesem Kontakt und dem Halbleiter gebildet wird, tritt die Erscheinung einer elektrischen Leitung zwischen diesen beiden Kontakten nicht auf, da einer dieser Kontakte vollständig isoliert ist. Die an die zwei Kontakte angelegte kontinuierliche Spannung ruft eine Raumladung im Halbleiter hervor und ab einem bestimmten Wert der an die Kontakte gelegten kontinuierlichen Spannung vergrößert sich die Raumladung nicht mehr. Es bildet sich an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Isoliermittel eine Inversionsschicht aus, welche aus Minoritätsträgern gebildet ist, wobei die für die Ausbildung der genannten Inversionsschicht erforderliche Zeit eine Funktion des Photonenflusses ist, welchem der Halbleiter ausgesetzt ist.

A_ufgabe

BAD OBlGiNAL

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterdetektors für Infrarots trahlung zur Messung eier Intensität diesei' Strahlun,, gemäß der Beziehung, weiche zwischen der für die Ausbildung der von den Minoritätsträgern gebildeten Inversionsschicht erforderlichen Zeit und der Intensität dieser Strahlen bestellt.

Der erfiiidun sgeniäüe Halblei terdetcl. tor l'üi Infrarotstrahlung ist gekennzeichnet, durch einen den PhotoiienfluO empfangenden Halbleiterkörper, eine auf einer Oberfläche des Halbleiters angeordnete Isolierschicht, einen Ohnisclien kontakt auf einer Oberfläche des Halblei tors, einen kontakt auf der Isolierschicht, welche auf der anderen Oberfläche des Halbleiters angeordnet i.«=t, Kinri chtiin, en ^ur Ausbildung einer von Miimri tätsträgern gebildeten Inversionsschicht im Halbleiter sowie durch Einrichtungen zum Messen der zur Ausbildung der Inversionsschicht erforderlichen Zeit, wobei diese Zeit eine Funktion der Intensität des einfallenden Photonenflusses ist.

Anhand der Figuren wird die Erfindun beispielsweise näher erläutert. Es ^eigt

Figur 1 einen Detektor für Infrarott-trahlung,

Figur 2 eine .graphische Darstellung, welche zur Erläuterung; der Arbeitsweise des Detektors dient,

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Figur 3 die Schaltskizze eines Mei3geräts für Infrarotstrahlung und

Figur k eine schematische Darstellung, welche zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Figur 3 gezeigten Meßgeräts dient.

Figur 1 zeigt einen Halbleiterdetektor für Infrarotstrahlung

gemäß der Erfindung.

Der Detektor besteht aus einem Halbleitermaterial 2, auf welchem eine Isolierschicht '_} angeordnet ist. Ein Ohmscher Kontakt 1 und ein anderer Kontakt ^₁ welche beispielsweise durch Aufdampfen eines Metalls unter Vakuum erhalten wurden, sind auf der Oberfläche 20 des Halbleiters 2 bzw. auf der Oberfläche der Isolierschicht 3 angeordnet, welche mit dem Halbleiter 2 nicht in Berührung steht. Der Kontakt 1 nimmt nur einen Teil der Oberfläche 20 des Halbleiters 2 ein und bildet ein Fenster, wodurch die einfallende Strahlung 5 auf den Halbleiter gelangen kann .

Beispielsweise besteht der Detektor für Infrarotstrahlung aus monokristallinem Tellur 2 mit einer Dicke von etwa 80 Mikron, auf welches eine Schicht aus Telluroxyd 3 mit einer Dicke von etwa 3500 Angström aufgebracht ist. Die Kontakte 1 und k mit einer Dicke von 1500 An;;ström sind durch Aufdampfen von Gold erhalten.

Die

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Die Betriebstemperatur dieses Detektors liegt bei 77 K und die maximale Empfindlichkeit wird bei einer Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa k Mikron erzielt.

In Figur 2 sind Kurven dargestellt, welche die Eigenschaften des in Figur 1 dargestellten Detektors zeigen. Die Impedanz, welche man zwischen den Kontakten 1 und k messen kann, ist unter bestimmten Bedingungen eine veränderliche Kapazität und stellt eine Funktion des einfallenden Photonenflusses und der angelegten Spannung dar.

denn man im Zeitpunkt t eine durch die Kurve 18 in Figur 2 dargestellte stufenförmige Spannung anlegt, so stellt man fest, da/3 die Kapazität im Zeitpunkt t plötzlich abnimmt und einen rfert C.<! C. annimmt. Nach einer Zeitspanne T= t₁ - t steigt die Kapazität auf ihren Grenzwert C₁, wobei die Kurve 17 in Figur 2 diese Veränderung angibt.

Diese Zeit entspricht dem Auftreten einer Inversionsschicht, welche durch Minoritätsträger an der isolierenden Grenzschicht des Halbleiters gebildet wird. Ihre Dauer ist an die krschoinung der Erzeugung der Raumladung gebunden, sie ist daher empfindlich für die Bestrahlung mit Photonen, welche auf den Halbleiter auftreffen.

Gemäß der Erfindung ermöglicht die Messung dieser Zeitspanne den Nachweis des Vorhandenseins eines Photonenflusses.

Diese

009820/0738 ojw»·*·*^{1 IMi?DC}CTED

Diese Zeitspanne X läßt sich ausdrücken durch«

O) T=

wobei N die Konzentration an Verunreinigungen des HaIb-

leiterkörpers in Ladungen je cm , U der thermische Erzeugungsfaktor (Anzahl der in der Sekunde erzeugten Elektronen-Löcherpaare) und g der auf dem Photonenfluß beruhende Erzeugungsfaktor ist, welcher bei Abwesenheit von Photonen gleich 0 und bei Vorhandensein einer Bestrahlung größer als 0 ist.

Man kann die Empfindlichkeit des auf der Messung von f beruhenden erfindungsgemäßen Detektors mit derjenigen eines bekannten Detektors vergleichen, welcher auf den Veränderungen der Leitfähigkeit als Funktion des Photonenflusses be ruht. Zu diesem Zweck wird das folgende Verhältnis der rela tiven Änderung der Zeitkonstante des erfindungsgemäßen Detektors zur relativen Änderung der Leitfähigkait < eines bekannten Detektors gebildet:

Δ ET

wobei

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wobe j ii. iiie innore Konzentration des Halbleiters und

L ·

ff die Lebunsdauer der Minoritätsträger im Halbleitermaterial darsteilt.

Die Untersuchung der Gleichung (2) zei^t, daß bei schwachen Belichtung .en der Ausdruck (fC wesentlich kleiner ist als der Ausdruck n. und vernachlässigt werden kann.

Unter diesen Bedingungen sieht man, daß die Emjfindlichkeit dos erfinduiv".Sf;eniäQen Detektors· -mal so groß ist als

i
diejenige eines auf der Veränderung, der Leitfähigkeit als

Funktion des Photonenflusses beruhenden Detektors.

Figur 3 zeigt c»ine AusfUhrungsform der Heftvorrichtung für die Zeitkonstante bzw. Zeitspanne T als Schaltskizze. Der Strahlungsdetektor 22, welcher den Photonenfluß 5 empfängt, ist durch seine Kontakte 1 bzw. k mit einem Hochfrequenzgenerator 7 bzw. einem Kondensator 0 verbunden, dessen Kapazität wesentlich größer ist als diejenige des Strahlungsdetektors 22:

Der Kondensator ο ist zwischen den Kontakt k und die Masse parallel mit einem Generator 8 geschaltet, welcher eine Spannung in Form einer Stufe in regelmäßig beabstandeten Zeitintervallen abgibt.

Der

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Der Hochfrequenzgenerator 7 ist zwischen den Kontakt 1 und die Masse 11 geschaltet.

Der dem Kondensator 6 und dem Strahlungsdetektor gemeinsame Punkt 12 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 9 verbunden, dessen Ausgang mit einem Meßgerät 10, beispielsweise einem Oszilloskop, verbunden ist.

Diese Vorrichtuni', arbeitet in der folgenden Weise:

Die Kurve 13 i" Figur h zoift die Spannungsstufe V_1r, welche vom Generator 8 geliefert wird. D^e Kurve 1 ^- in Figur h zeigt die.Hochfrequenzspannung V₁-, welche am Punkt 12 herrscht und auf dem Oszilloskop beobachtet wird. Diese Spannung wird vom Hochfrequenzgenerator 7 erzeugt. Wenn die vom Generator gelieferte Spannung 0 ist, was für die Zeit t<t gilt, so ist die Amplitude V₁ gleich A.. Im Zeitpunkt t wird die Stufe V₁_ auf den Strahlungsdetektor gegeben und die Spannung V₁ fällt auf eine schwache Amplitude A_ ab. Diese Spannung wächst sodann bis zur Spannung A„, welche der Grenzkapazität C- zum Zeitpunkt t.. entspricht. Die Messung der Zeitspanne t₁ - t s=X ergibt die Zeitkonstante, deren Wert proportional zum Photonenfluß ist.

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Claims

Paten tansprüche

1.\ Infrarot-Strahlungsdetektor mit einer Halbleiterschicht, welche an einer Isolierschicht gebunden ist, sowie einem Ohmsehen Kontakt auf jeder der freien Oberflächen der zwei Schichten, wobei die freie Oberfläche der Halbleiterschicht einem zu messenden Photonenfluß ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Anlegen einer kontinuierlichen Spannung zwischen den beiden Kontakten, welche eine aus Minoritätsträgern bestehende Inversionsschicht im Halbleiter erzeugt, und durch Einrichtungen zum Messen der zur Ausbildun, dieser Schicht erforderlichen Zeit, wobei diese Zeit eine Funktion der Intensität des einfallenden Photonenflusses ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Spannimg durch einen ersten Generator erf.;bar ist, welcher Spannungsstufen liefert.

Ii. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ze:i tiueßeinrichtungen einen zweiten, hochfrequenten Generator und einen Kondensator aufweisen, wobei der zweite

Genera tor

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Generator und der Kondensator in Reihe geschaltet sind, die von dem zweiten Generator und dem Kondenstor gebildete Anordnung an die Klemmen der auf der Isolierschicht bzw. dem Halbleiter aiigeordne ten Kontakte angeschlossen

ist, der erste Generator parallel zum Kondensator geschaltet ist, ein mit einem Oszilloskop verbundener Verstärker vorgesehen ist und dai) der Eingang dieses Verstärkers mit einem den»Kondensator und dem orsten Generator gemeinsamen Punkt verbunden ist.

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