DE2550933A1

DE2550933A1 - Photodiode fuer ein mit wechselstrom betriebenes lichtventil

Info

Publication number: DE2550933A1
Application number: DE19752550933
Authority: DE
Inventors: Jun William P Bleha; Lewis M Fraas
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-13
Publication date: 1976-05-26
Also published as: CA1036258A; FR2291611B1; IT1052257B; NL168953C; US3976361A; GB1492289A; JPS51102482A; NL7513484A; NL168953B; DE2550933C2; IL48418A0; FR2291611A1; IL48418A; JPS5234911B2

Description

? B 5 η 9 3

■Anmelder: btuttgart, den 10„ November 1975

Hughes Aircraft Company P 3112 Ü/kg

Centinela Avenue and

Teale ütreet

Culver City, Calif., V.bt.A.

Photodiode für ein mit Wechselstrom, "betriebenes Lichtventil

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Licht-Bildverstärker für Darstellungseinrichtungen und insbesondere auf eine Ladungsspeicherdiode für solche Einrichtungen, die von einem Halbleiter-Lichtsensor Gebrauch macht, dessen Kapazität in abhängigkeit von den änderungen der Intensität eines von Licht erzeugten iiingangsbildes moduliert wird.

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In der US-PS 3 824 002 ist das Prinzip der Arbeitsweise eines Wechselstrom-Flüssigkristall-Lichtventils beschrieben, die erfordert, daß ein Photoleiter an den Flüssigkristall impedanz-angepaßt ist lind bei -der die Photokapazität des Photoleiters in Abhängigkeit von einfallendem Licht moduliert wird.

Bei einer in der US-PS beschriebenen Ausführungsform eines solchen Lichtventils wird Cadmiumsulfid thermisch auf einem erwärmten Substrat abgeschieden und anschließend einer Wärmebehandlung in einer Schwefelwasserstoff-Atmosphäre unterworfen, um eine möglichst gut stöchiometrische Schicht zu bilden» Danach wird auf das Cadmiumsulfid im Vakuum eine Schicht aus Cadmiumtellurid aufgebracht. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die Cadmiumsulfidschicht eine Dicke von etwa 2 bis 12 um, während die Gadmiumtelluridschicht etwa 2 u,m dick und für das Licht, für das das Cadmiumsulfid empfindlich ist, weitgehend undurchlässig. Eine solche Struktur zeigt einen Photokapazitätseffekt, der offensichtlich teilweise das Ergebnis eines HeteroÜberganges ist, der zwischen dem Cadmiumsulfid und dem Cadmiumtellurid gebildet wird und aus der verminderten Tiefe des "Verarmungsbereiches resultiert, die ihrerseits das Ergebnis des Einfangens von "Löchern" (positive Ladungen) am Übergang ist, die durch die Lichtanregung innerhalb des Cadmiumsulfids erzeugt werden (siehe beispielsweise Spalte 2, Zeilen 50 "bis 59» und Spalte 5, Zeilen 19 bis 30 der US-PS 3 824 002).

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Es ist zu bemerken, daß eine gleichförmige photoleitende Schicht, wie beispielsweise das nach der US-PS 3 824 002 benutzte Cadmiumsulfid, stets eine exponentielle Abnahme der Lichtintensität als Funktion der Eindringtiefe in die Schicht bewirkt, was eine zunehmend weniger wirksame Lichtkopplung bei engeren "Verarmungsbereichen zur Folge hat. Weiterhin besitzt Jede sehr reine und in hohem Maße stöchiometrische Halbleiterschicht allgemein eine auf einen engen Spektralbereich beschränkte Empfindlichkeit, die für geringe Rekombinationsgeschwindigkeiten erforderlich ist. Im Fall von Cadmiumsulfid ist die Empfindlichkeit auf einen viel zu engen Spektralbereich beschränkt, um eine wirksame Kopplung zu einem P-1-Phosphor zu ergeben, wie er bei handelsüblichen Kathodenstrahlröhren häufig angewendet wird. Tatsächlich wird nur ein Wirkungsgrad von 10% erzielt.

Es ist ferner zu beachten, daß das Bild des einfallenden Lichtes in der Verarmungszone gebildet wird und die Auflösung der Anordnung durch den Abstand von der Verarmungszone zum Flüssigkristall oder einem anderen kapazitiv mit dem Photoleiter gekoppelten Material bestimmt wird. Gleichförmige Schichten mit einer Empfindlichkeit in einem breiteren Spektralbereich weisen allgemein eine höhere Dichte von Fangstellen und RekombinationsZentren auf, was zu einem geringeren Wirkungsgrad bei der Lichtinjektion von Trägern führt.

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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen photokapazitiven Lichtsensor hoher Empfindlichkeit zu schaffen, der eine Ladungsspeicher-Harbleiterdiode umfaßt. Daher befaßt sich die Erfindung auch mit der Ausbildung einer Photodiode, die auf einen breiten Spektralbereich anspricht und sich durch eine nicht-expcmentiale Trägererzeugung sowie geringe Rekombinationsgeschwindigkeiten auszeichnet. Eine solche Photodiode hat dann auch einen hohen Wirkungsgrad bei der Trägerinjektion. Eine solche Photodiode ist brauchbar für Darstellungsgeräte hoher Auflösung sowie in einer Hochfrequenz-Wechselstromanordnung, welche durch die verbesserten photokapazitiven Lichtschalteffekte möglich wird.

Allgemein soll durch die Erfindung eine Photodiode angegeben werden, welche die Eigenschaften einer Hochfrequenz-Wechselstrom-Darstellüngsanordnung verbessert.

Die vorstehend genannten und weitere Ziele werden nach der Erfindung durch eine Photodiode erreicht, bei der der Grenzfläche - bei dem zur Erläuterung beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel - zwischen einer photoleitenden Schicht aus Cadmiumsulfid und einer Lichtsperrschicht aus Cadmiumtellurid eine Zone der photoleitenden Schicht benachbart ist, in der,die Störstellen eine höhere Dichte haben als im restlichen Teil des Photoleiters„ Dieser Bereich ist

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durch einen hohen Absorptionskoeffizienten für das einfallende Licht und einen hohen Trägerlnjektionskoeffizienten gekennzeichnet. Diese Zone hoher Störstellendichte, hoher Lichtabsorption und hoher Trägerinjektion kann gebildet werden, indem entweder Cadmiumsulfid nahe der Grenzfläche mit Cadmiumselenid legiert wird, wodurch der Bandabstand über die Dicke der Gadmiumsulfidschicht verändert und Störstellen in Form von Selenatomen eingeführt werden, oder die Dichte der Störstellen des Cadmiumsulfids selbst über die Dicke der Schicht variiert wird, indem die Temperatur während der Herstellung der Schicht allmählich vermindert wird<> Solch ein Bereich kann auch in anderen Photoleitern oder Photokondensatoren nach der Erfindung gebildet werden, wie beispielsweise in ZnS, GaAs und Si, die auf andere Spektralbereiche ansprechen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

3?ig. 1 einen Querschnitt durch ein mit Wechselstrom betriebenes Lichtventil nach der US-PS 3 824 002,

Fig. 2 einen Abschnitt eines nach der Erfindung modifizierten Lichtventils nach £*ig. 1,

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Pig. 3 ein Diagramm der optischen Absorptionsspektren von durch Zerstäuben aufgebrachten CdS-Schichten bei verschiedenen Substrattemperaturen, die zeigen, daß bei sinkenden Temperaturen die Absorption an der nahen Bandgrenze zunimmt,

Figo 4- ein Diagramm der theoretischen Plattenladung in Abhängigkeit von der Sperrspannung einer lichtempfindlichen Ladungsspeicherdiode mit der durch Licht ausgelösten InJektionsrate von Elektronen-Loch-Paaren als Parameter,

Fig. 5^a das Ersatzschaltbild eines Auflösungselementes eines Wechselstrom-Lichtventils, bei dem das gestrichelte Quadrat 20 das CdS/CdTe-Photosensorelement darstellt, während der damit in Serie geschaltete Teil die Impedanzen des dielektrischen Spiegels und des Flüssigkristallelementes veranschaulicht,

Fig. 5b eine Vereinfachung des Ersatzschaltbildes nach Fig. 5^a» das für eine erste Näherung nützlich ist,

Fig. 6 das Diagramm des Schaltverhältnisses einer durch einen kapazitiven Kurzschluß gemessenen GdS-Schicht als Funktion der Spannung zwischen den Spitzen einer Wechselspannung von 200 Hz,

o/.

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Fig. 7 das Diagramm der experimentellen Plattenladung in Abhängigkeit von der Sperrspannung bei 2 kHz und der Lichtintensität als Parameter der Kurvenfamilie,

Fig. 8 das Diagramm des Schaltverhältnisses Q in Abhängigkeit von der Spannung V für Ausführungsbeispiele von Ladungsspeicherdioden bei 200 Hz, wobei diedie Kurvenfamilie kreuzende Gerade die Ladungsspeicherdioden-Lichtventil-Arbeitskurve nach Gl. (4-) in Tabelle 1 darstellt,

Fig. 9 ein Diagramm, das das Schaltverhältnis in Abhängigkeit von der Spannung für die Ladungsspeicherdiode bei 2 kHz wiedergibt und in der wiederum die Gerade die Ladungsspeicherdioden-Lichtventil-Arbeitskurve nach Gl.(4) in !Tabelle 1 darstellt,

Fig., 10 ein Diagramm der Ladungsverarmung in Abhängigkeit von der Intensität des die Ladungsspeicherdiode treffenden Lichtes bei einem Betrieb der Diode mit 200 Hz und 2 kHz, wobei die gestrichelten Linien die konstanten Steigungen 2 und 3 veranschaulichen,

Fig. 11 ein Diagramm der Anstiegszeit des Photostromes bei einem Lichtventil in Abhängigkeit von der Intensität des den Photosensor treffenden Lichtes beim Betrieb mit 200 Hz und 2 kHz, wobei die gestrichelten Linien die Steigungen -1 und -2 veranschaulichen,

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Fig. 12 ein Diagramm der Bänder einer Ladungsspeicherdiode, bei der der Bereich der CdS-Schicht mit dem höheren Absorptionskoeffizienten, der der CdTe-Grenzflache benachbart ist, als der Hauptladungsspeicherbereich wirkt,

Fig. 13 eine Tabelle I, in der die beschreibenden Gleichungen für die erfindungsgemäße Anordnung aufgeführt sind und welche die verwendeten Zeichen definiert,

Fig. 14· eine Tabelle II, in der die Schaltverhältnisse für eine Flüssigkristallzelle von 4 um Dicke bei verschiedenen Wellenlängen angegeben sind,

Fig. 15 eine Tabelle III, weichetheoretische und experimentelle Grauskalendaten für ein Wechselstrom-Lichtventil angibt, und

Fig. 16 eine Tabelle IV, welche die Ansprechzeit des Photosensors als Funktion der Lichtintensität angibt.

Aus Fig. 1, die ein Wechselstrom-Flüssigkristall-Lichtventil nacti dem Stand der Technik zeigt, wie sie auch in der US-PS 3 824 002 behandelt ist, ist ersichtlich, daß es sich hierbei um eine ebene, mehrschichtige Struktur handelt, bei der in direkter, sowohl räumlicher als auch zeitlicher Beziehung zu den Änderungen der Intensität des einfallenden Lichtes 10 eines Bildes eine Wechselspannung an eine Flüssigkristallschicht 13 angelegt werden kann,

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die über Anschlüsse 12 und 12a durchsichtigen Elektroden

2 und 2a zugeführt wird. Da dieses ebene Gebilde keine strukturell definierten Auflösungselemente besitzt und die die Anordnung bildenden dünnen Schichten einen hohen Flächenwiderstand aufweisen, kann ein Ausgangsbild 9 hoher Auflösungen erzeugt werden. Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung von Y/echselstrom-Flüssigkristall-Lichtventilen findet sich in der oben angegebenen US-PS

3 824 002, wo besonders auf die Notwendigkeit zur Anpassung der V/echselstrom-Impedanz des Photoleiters an die Wechselstromimpedanz des Flüssigkristalles oder eines anderen, statt dessen verwendeten spannungsabhängigen Materials hingewiesen ist.

Das Lichtventil ist auf einem Glassubstrat 1a oder einem anderen Trägermaterial mit optischer Qualität hergestellt, das für das einfallende Licht 10 in dem Spektralbereich durchlässig ist, für den der Photoleiter 7 empfindlich ist. Beispielsweise kann als Substrat auch die Endplatte einer Faseroptik verwendet werden. Auf das Substrat 1a wird eine dünne durchsichtige, leitende Schicht 2a aufgebracht. Ein typischer Werkstoff hierfür ist Indiumzinnoxid (ITO). Der Flächenwiderstand der Schicht beträgt vorzugsweise 1 bis 10^ 0hm. Der Flächenwiderstand ist durch die Forderung bestimmt, daß über der Schicht keine nennenswerte Variation der Wechselspannung feststellbar sein darf, wenn die Anordnung mit einer bestimmten Frequenz oder in einem bestimmten Frequenzbereich betrieben wird, für die oder den die Anordnung speziell ausgelegt ist«

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Bei der nächsten Schicht handelt es sich um eine photoleitende Schicht 7 mit hoher Impedanz, die eine hohe Empfindlichkeit für ein Eingangsbild geringer Helligkeit aufweist. Im Fall eines Lichtventils, das mit einer Reflexions-Darstellung arbeitet, ist die nächste Schicht eine undurchlässige Lichtsperrsßhicht 6, die verhindert, daß das das Ausgangsbild bildende Licht 9 den Photoleiter 7 erreicht.

Das nächste Element der Anordnung ist ein dielektrischer Hehrschichtspiegel 5$ der aus abwechselnden Viertelwellenschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex besteht. Die Verwendung eines solchen dielektrischen Spiegels erfordert die Anwendung von Wechselstrom zum Betrieb der Vorrichtung, weil er das Anlegen einer Gleichspannung an den Flüssigkristall hindert.

Die nächste Schicht auf dem Substrat 1a ist eine zur Passivierung dienende dielektrische Schicht 3, die hinsichtlich einer elektrochemischen oder mechanischen w'echselwirkung mit dem verwendeten Flüssigkristall neutral ist.

Das yechselstrom-Flüssigkristall-Lichtventil nach Fig. hat auch eine Gegenelektrode 2, die auf eine Glasplatte aufgebracht und mit einer zur Passivierung dienenden dielektrischen Schicht 3 bedeckt ist. Zwischen den Passivierungsschichten 3 und 3a befindet sich der Flüssigkristall 13· Die Dicke des Flüssigkristalls ist durch Abstandsstücke 4- und 4a bestimmt. Endlich

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befindet sich auf der Außenfläche der Glasplatte 1 ein Antireflexbelag 11_o

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, welche die nach der Erfindung vorgesehene Verbesserung im einzelnen veranschaulicht, befindet sich innerhalb der photoleitenden, photokapazitiven Schicht 7 ein Bereich 7a aus relativ reinem Cadmiumsulfid, in dem eine geringe Störstellen-Dichte herrscht, und der auch einen geringen Licht-Absorptionskoeffizienten aufweist, neben einem Bereich 7b, in dem sowohl die Störstellendichte als auch der Absorptionskoeffizient höher ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Bereich 7b beispielsweise durch das Hinzufügen von Selen zu dem Schwefel beim Aufbringen der Schicht erzeugt werden, was eine Legierung ergibt, deren chemische Zusammensetzung durch die Formel CdS₄ Se dargestellt werden kann, wobei die Selenatome Störstellen bilden. Auf diese Weise wird ein Bereich 7b in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der photoleitenden Schicht 7 und der Lichtsperrschicht 6 aus Cadmiumtellurid gebildet, die stärker bei Wellenlängen absorbierend ist, die größer sind als die fundamentale Absorptionskante von CdS, das den Hauptteil der CdS-Schicht bildet. Es kann dieser stärker absorbierende Bereich 7ΐ> als "Orange" im Vergleich zu der charakteristischen "Gelb"-Absorption des stöchiometrischen Photoleiters, wie dem CdS im Bereich 7a» bezeichnen. Dieser "Orange"-Bereich absorbiert den Hauptteil des einfallenden Lichtes 10, das von einer Kathodenstrahlröhre oder einer .anderen Lichtquelle ausgehen kann, mit dem vorteilhaften Ergebnis, daß weniger einfallendes

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Licht eine stärkere Änderung in der photokapazitiven Verarmungszone bewirkt, die ihrerseits eine größere Empfindlichkeit der Anordnung zur Folge hat. Da der größte Anteil des einfallenden Lichtes in dem Bereich 7b absorbiert wird, ist es möglich, den aus relativ reinem Cadmiumsulfid bestehenden Bereich 7a, der eine gelbe Farbe hat, erheblich dicker zu machen als nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise nach der US-l'S 5 824- 002. Hierdurch wird der Vorteil einer Verminderung des Dunkelstromes der Anordnung erzielt, weil die Größe des Dunkelströmes durch die Tiefe der Verarmungszone im Dunkelzustand bestimmt wird und diese wiederum von der Gesamtdicke der Bereiche 7a und 7b abhängt. Die oben erwähnte Cadmiumsulfid-Gamiumselenid-Legierung kann leicht erhalten werden, indem reaktiv ein Cadmiumsulfid-Target in einer Atmosphäre von Schwefelwasserstoff reaktiv zerstäubt und dann, in der letzten Phase, das Target in einer Wasserstoffselenid-Atiaosphäre zerstäubt, wodurch eine Struktur mit einem gestuften oder verlaufenden Bandabstand geschaffen wird, welche die erforderliche chemische Formel aufweist. Es ist auch möglich, eine solche Legierung durch ein Verdampfen aus zwei Schiffchen mit folgender Wärmebehandlung mit Schwefelwasserstoff oder durch Verstäuben zweier Targets herzustellen. Bei jedem Verfahren wird zunächst GdS für den Bereich 7a und dann CdS,. Se für den Bereich 7h abgeschieden·

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung bestehen beide Bereiche 7a und 7ΐ> ausschließlich aus Cadmiumsulfid. In diesem Fall wird die Änderung in

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der Störstellendichte zwischen den Bereichen 7a und 7b durch ein allmähliches Absenken der Temperatur des Substrates 1a, 2a während des Aufbringens der Schicht durch Zerstäuben erzielt. In diesem Fall umfassen die erzeugten Störstellen sowohl flache Elektronenfänger als auch RekombinationsZentren. Diese Störstellen erzeugen den gleichen Ladungsspeichereffekt wie die Störstellen, die aus den oben beschriebenen Legierungsatomen bestehen. Demgemäß soll der hier gebrauchte Ausdruck "Störstelle" entweder ein Atom, das normalerweise nicht in dem Intrinsic-Halbleiter enthalten ist und als Dotiermittel oder als Legierungsbestandteil in dem Halbleiter dient, oder flacher Ladungsträgerfänger (Elektronen- oder Lochfänger) im Halbleiter oder ein ßekombinationsZentrum im Halbleiter oder eine Kombination solcher Stellen bezeichnen«,

Wie oben angegeben, kann die vorliegende Erfindung, obwohl sie anhand eines von CdS verwendeten Ausführungsbeispieles beschrieben worden ist, auch bei anderen Photoleitern angewendet werden, wie z.B. ZnS, GaAs oder Si, die für andere Spektralbereiche empfindlich sind. Weiterhin versteht es sich, daß die Anordnungen nach der Erfindung bei anderen Systemen angewendet werden können, als sie in der US-PS 3 824 beschrieben sind, das nur als Beispiel angeführt wurde. Insbesondere wird dort eine Flüssigkristallschicht von 6 bis 12 UmDicke benutzt, die mit dynamischer Streuung betrieben wird. Es versteht sich, daß beispielsweise

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auch dünnere Flüssigkristallschichten benutzt werden können, die in jeder beliebigen Weise betrieben werden können, beispielsweise mit Feldeffekt-Aktivierung.

Weiterhin versteht es sich, daß der Photosensor außer bei einer Plüssigkristallaiaordnung der in der UB-PS 3 824 002 beschriebenen Art, die als bevorzugtes üusführungsbeispiel der Erfindung gewählt worden ist, bei einer Vielfalt von Darstellungseinrichtungen anwendbar ist, die aus einer lichtempfindlichen Spannungsübertragungsschicht und einer benachbarten Schicht eines spannungs- oder feldaktivierbaren Mediums zur Lichtmodulation, die beide zwischen einem Paar transparenter Elektroden angeordnet sind. Das gegenwärtige Verständnis und die gegenwärtige Auffassung über die Wirkungsweise der Photosensoranordnung wurde vorstehend dadurch zum Ausdruck gebracht, daß die Anordnung als ein mit 'wechselstrom beschriebenes, durch Licht aktivierbares Lichtventil für durch Licht aktivierte Darstellungseinrichtungen bezeichnet wurde, bei der eine Wechselstrom-Photokapazität in Verbindung mit einer lichtempfindlichen Schicht die wichtigste Rolle spielt. Im folgenden wird die Wirkungsweise mehr im einzelnen anhand experimenteller Daten erläutert. Obwohl diese Photokapazität vpn spezieller Bedeutung für mit Wechselstrom betriebene Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen ist, bei denen Wechselspannungen als Treiberspannungen benutzt werden, um eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften durch elektrochemische Vorgänge zu vermeiden, ist sie auch von allgemeiner Bedeutung für

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Realzeit-Feldeffektdarstellungen, bei denen mit einer endlichen Bildgeschwindigkeit Bilder erzeugt und Spannungen gelöscht werden. Die oben beschriebene Betriebsart beschreibt die Photoempfindlichkeit des Photosensors anhand der Photokapazität der Verarmungsschicht der Anordnung, die von den beiden Schichten 6 und 7a, 7b gebildet wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung unterscheidet sich von derjenigen nach der US-PS 3 824 002 durch verschiedene Betriebseigenschaften und Vorteile. Um die in der US-PS 3 824 002 beschriebene Anordnung mit einer Kathodenstrahlröhre zu betreiben, war die Anwendung einer relativ kostspieligen Kathodenstrahlröhre hoher Intensität erforderlich. Versuche haben gezeigt, daß durch die Erfindung die Empfindlichkeit der Substrat-Photodiode um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden kann. Beachtliche Schaltverhältnisse wurden mit einer Leistung von

weniger als ^O uYJ/cm in einem Spektralband erreicht, das demjenigen des üblichen P-1-Phosphors handelsüblicher Kathodenstrahlröhren entspricht. Normale handelsübliche und preiswerte Darstellungsgeräte mit Kathodenstrahlröhren liefern etwa 100M.W/cm . Das Spektralband solcher handelsüblichen Kathodenstrahlröhren mit P-1-Phosphor wird hier definiert als das Band der Wellenlängen, die sich im Bereich einer Glockenkurve mit dem Spitzenwert bei 525 um befinden. Die Breite der Glockenkurve beim halben Spitzenwert beträgt 45 um.

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Weiterhin spricht die erfindungsgemäße Anordnung auf ein breiteres Spektralband an als die Anordnung nach der US-PS J 824 002. Eine gleichförmige Schicht verursacht stets eine exponentielle Abnahme der Lichtintensität, so daß bei geringer Tiefe der Verarmungsschicht eine■Lichtkopplung mit zunehmend geringerer Wirksamkeit stattfindet. Weiterhin besitzt eine hochwirksame Halbleiterschicht allgemein eine scharfe Spektralempfindlichkeit, die für kleine Rekombinationsgeschwindigkeiten erforderlich ist. Insbesondere ist die Spektralempfindlichkeit guter kristalliner Cadmiumsulfidschichten für eine gute Kopplung mit dem P-1-Phosphor von Kathodenstrahlröhren viel zu schmal. Die Abstufung der Schicht nach der Erfindung führt zu einer breiten Spektralempfindlichkeit bei nicht-exponentieller Trägererzeugung und kleinen Hekombinationsgeschwindigkeiten.

Der erfindungsgemäße Photosensor liefert auch eine hohe Auflösung bei geringe'm Dunkelstrom. Da das Bild der Kathodenstrahlröhre in der Verarmungszone gebildet wird, ist die Auflösung des Lichtventils durch den Abstand von der Verarmungszone zum Flüssigkristall bestimmt. Bei der gestuften Struktur wird das Licht der Kathodenstrahlröhre oder ein anderes Licht eines Eingangsbildes weitgehend in dem Orange-Bereich nahe der Grenzfläche zum Cadmiumtellurid absorbierte Dort wird das Bild geformt. Der Gelb-Bereich kann dicker gemacht werden, wodurch der üunkelstrom vermindert wird, weil der Pegel des Dunkelstromes durch die Tiefe

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der verarmungszone im Dunkelzustand bestimmt wird und diese aus der Dicke der gelben und der orangefarbenen Schicht besteht.

Die erfindungsgemäße Anordnung führt auch zu einer höheren Wirksamkeit der Trägerin j ektion,, Gleichförmige Schichten mit breiter Spektralempfindlichkeit weisen gewöhnlich tiefere Fangstellen und RekombinationsZentren in größeren Dichten auf. Beide Zentren haben eine geringere Wirksamkeit bei der Lichtinjektion von Trägern zur Folge. Diese Dichte der Zentren kann bei der gestuften Bandlückenstruktur des erfindungsgemäßen Photosensors vermindert werden. Bei der Herstellung des Orange-13ereich.es auf der gelben Schicht durch den Einbau von Fehlstellen werden Verfahren bevorzugt, die zur flachen Fehlstellen führen.

Endlich führt, v?ie oben angegeben, die erfindungsgemäße Anordnung zu einer guten Hochfrequenz-Photokapazität „ Wie oben angegeben, ist die verbesserte Empfindlichkeit die Folge eines verbesserten Lichtschal t-Photokapazitäts-Effektes. In der Struktur mit gestufter Fehlstellendichte bleibt die Photokapazität bei höheren Frequenzen hoch, wenn die flachen Fehlstellen schnell genug mit dem Leitungsband in Verbindung treten.|Dann werden sie mit den Geschwindigkeiten entleert und gefüllt, welche die höheren Frequenzen erfordern,, Bei der gestuften Bandstruktur wird die Energie des flachen Niveaus effektiv zu Null und es werden demgemäß gute Hochfrequenz-Schaltverhältnisse erzielt.

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Als spezielles Beispiel für eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung werden anschließend die experimentell festgestellten Daten für eine auf ein Substrat aufgebrachte Photodiode angegeben, die in Verbindung mit einem mit Wechselstrom betriebenen Flüssigkristall-Projektionslichtventil erzielt werden. Diese Anordnung umfaßt die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Elemente und besteht aus einer dünnen Schicht aus durch Verstäuben aufgebrachten η-Typ CdS, auf die eine dünne Schicht 6 aus p-Typ CdTe aufgedampft ist. Es wird nachstehend ein vorläufiges Modell angegeben, das zum Zweck der Analyse durch die Techniken der theoretischen Festkörperphysik die Photoempfindlich— keit dieser Anordnung anhand der Verarmungszonen-Photokapazität der Ladungsspeicherdiode beschreibt, die zwischen diesen beiden Schichten gebildet wird. Unter der Annahme einer elekronischen Fehlstellenstruktur, die bei diesem aus reinem CdS bestehenden Ausführungsbeispiel aus Fangniveaus für schnelle und langsame Elektronen und einem Hekombinationsniveau besteht, wie es auch bei einem Photoleiter der Fall ist, kann die in der Diode gespeicherte Ladung zu der das Bild auslösenden Lichtintensität in Beziehung gesetzt werden. Hierdurch wird eine beschreibende Information über die Reaktionszeit, die Grauskala und die Empfindlichkeit der Anordnung gewonnen.

Die Daten über die Ansprechzeit sind von besonderem Interesse, weil sie zeigen, daß der Photosensor des Projektionslichtventils in der Lage ist, nahezu mit

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Fernsehgeschwindigkeiten zu arbeiten. Die Übereinstimmung der experimentellen Baten mit dem Modell und eine vom Modell ausgehende Extrapolation läßt erwarten, daß bedeutende Fortschritte hinsichtlich de"r Empfindlichkeit und der Anspruchzeit noch möglich sind.

In Verbindung mit einer Flüssigkristall-Anzeige hat der neue Ladungsspeicher-Photosensor den bedeutenden Vorteil, daß er ein durch Licht aktivierbares Stromschal tverhältnis i_on/i_Off» ^das i^m folgenden auch mit £w. R. (switching ratio) bezeichnet wird, das nahezu von der Arbeitsfrequenz unabhängig ist. Hierin liegt deshalb ein bedeutender Vorteil, weil ein Flüssigkristall, wenn eine vernünftige Lebensdauer erzielt werden soll, mit Wechselstrom betrieben werden muß und die Frequenz des Wechselstromes für Fernseheinrichtungen beträchtlich über den Fernsehfrequenzen liegen muß, um durch Schwebungsfrequenzen hervorgerufene Effekte zu vermeiden. Unter diesen Bedingungen wächst der Kapazitäts-Dunkelstrom der dünnen Schichten ganz erheblich an. Eine einfache Berechnung zeigt, daß ein Photodioden-Substrat mit einer Quantenausbeute von Eins oder weniger sehr begrenzte Schaltverhältnisse bei Frequenzen von 200 Hz und mehr aufweist. Dagegen werden mit der erfindungsgemäßen Anordnung fast frequenzunabhängige Schaltverhältnisse

2 M-im Bereich von 10 bis 10 Hz erzielt. Das Modell erklärt dieses Verhalten durch Ladungsspeicherung in den Verarmungsschichten in Form von Löchern an

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RekombinationsZentren. Die Lebenszeit der Löcher ist größer als die Periode der Treiberspannung. Daher "bewegt sich ein Elektron viele Male vor und zurück, bevor es mit einem Loch rekombiniert» Tatsächlich ist die Anzahl der Trennungen in Löcher und Elektronen proportional zur Frequenz, wenn die Rekombinationszeit von der Frequenz unabhängig ist. Hierdurch wird ein Photostrom erzeugt, der in gleicher Weise zur Frequenz proportional ist wie der kapazitive Dunkelstrom. Als Ergebnis ist das Verhältnis dieser beiden Ströme, also das Schaltverhältnis, frequenzunabhängig. Makroskopisch kann der Effekt, daß der Photostrom der Frequenz proportional 13t, auch als Vorliegen einer Photokapazität im elektrischen Äquivalenz schaltbild beschrieben werden.

Analyse eines Ausführungsbeispiels Iο Einführung

Dieser Abschnitt beschreibt die experimentellen Eigenschaften eines speziellen Ausführungsbeispiels eines zur Bildwiedergabe dienenden Photosensors, der zusammen mit einem mit Wechselstrom betriebenen Flüssigkristall-Lichtventil-Projektionssystem von der Art verwendet wird, wie es von Beard et al in Appl. Phys. Lett. 22, 90 (1973) beschrieben wurde,

Y/enn das beispielsweise von einer Kathodenstrahlröhre gelieferte Licht 10 geringer Intensität, das zum Schreiben eines Bildes dient, das von den GdS- und CdTe-Schichten gebildete lichtempfindliche Element beleuchtet, wird die

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zwischen die Elektroden 2 und 2a den Lichtventils nach Fig» 1 angelegte Wechselspannung räumlich verschieden an die Flüssigkristallschicht 1J angelegt. Der von dieser sich räumlich ändernden Spannung beaufschlagte Plussigkriütall moduliert seinerseits das Projektionslicht 9 hoher Intensität, um eine \7iedergabe des eingeschriebenen Bildes zu liefern«, Die Eigenschaften des Lichtventiles werden dann durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich 1. das Spannungsschaltverhalten des lichtempfindlichen Elementes in Abhängigkeit von der Intensität des Schreiblichtes und 2. der Lodulati ons wirkung des Flüssigkristalle^ auf das J-'rojektionslicht in Abhängigkeit von der vom Photosensor gelieferten Spannung.

Bei der Erfindung liefet das Schwergewicht auf der experimentellen Abhängigkeit der lichtempfindlichen Photodiode, die von den aus den Schichten 6 und 7 gebildeten Ladungsspeicherdiode besteht. iJach einer Behandlung der Herstellung des Photosensors (Abschnitt II) folgt eine kurze Beschreibung des theoretischen Ilodelles (Abschnitt III) und einer D .rsteilung und Würdigung des experimentell erhaltenen Daten anhand dieses liodelles (Abschnitte IV bis VI).

II. Herstellung des Photosensors

Die in dem Vechselstrom-Lichtventil verwendete Photosensordiode besteht aus drei dünnen Schichten, die nacheinander auf ein Glassubstrat 1a aufgebracht

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werden. Diese Schichten sind in der Reihenfolge der Abscheidung

a) eine durchsichtige Elektrode 2a mit einer Dicke von 40 nm aus Indium-Zinnoxid, das durch Bestrahlen

"mit einem Elektronenstrahl verdampft wurde,

b) einerdurch reaktives Zerstäuben aufgebrachten Schicht aus OdS vom η-Typ mit einer Dicke von 16/i-m und

c) einer thermisch abgeschiedenen Schicht 6 aus Cd(Pe vom p-Typ mit einer Dicke von 2 /im.

Die GdS-ßchicht wird durch reaktives Zerstäuben in einer HpS/Ar-Atmosphäre in der V/eise aufgebracht, wie es von Frazer und Melchior in J. Appl. Phys. 43, 3120 (1972) beschrieben wurde. Die Zerstäubungsvariablen hatten die folgenden Vierte:

Fiederschlaggeschwindigkeit 1,3 bis 1,5/Am/h

Argondruck 14 bis 16 /im

BUS-Konzentrati on 2F/o

Vorspannung Substrate geerdet

restlicher Gasdruck <2 χ 1O^--⁷ Torr

Substrattemperatur während der Abscheidung

variiert.

Schichten mit gestuftem oder verlaufendem Absorptionsvermögen werden durch Verändern der Substrattemperatur während der Abscheidung der CdS-Schicht erzielt. Die anfänglich hohe Substrattemperatur (225°0) führt zu einer hochisolierenden Schicht 7a mit einer geringen Dichte an Elektronenfängern und einer Absorptionskante bei kürzeren Wellenlängen, während die niedrige Endtemperatur (175°G) zu einer Schicht Yb mit verschobener

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Absorptionskante und einer hohen Dichte an flachen Fangstellen führt. Diese Wirkung der Substrattemperatur auf die optische Absorptionskante der CdS-Schicht ist durch das Spektrum nach Pig, 3 veranschaulicht. In der Praxis erstreckt sich der Bereich 7b etwa über ein "Viertel der Dicke der Schicht 7* während der Bereich 7& etwa drei Viertel der ^esamtdicke der Schicht 7 einnimmt, die in diesem Beispiel mit 16/'.Ei angegeben ist. Es versteht sich jedoch, daß diese Werte geändert werden können, um bestimmten Konstruktionsbedingungen zu genügen. Dicken im Bereich von 10 (im bis 20 i«m sind in der Praxis ohne weiteres möglich.

Nach dem Abscheiden der CdS-Schicht 7 wird die Schicht chemomechanisch poliert und es wird anschließend die CdTe-Schicht 6 vom p-Typ aufgebracht, um die n-p-Diodenstruktur zu bilden.

III. Modellvorstellung vom Photosensor

Der Photosensor der Lichtventil-Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ist die großflächige Diode, die von den GdTe- und CdS-üchichten 6 und 7 vom p- bzw. n-Typ gebildet werden. Das Schlüsselelement, das die Wirkungsweise dieser Diodenstruktur bestimmt, ist die kapazitive Wechselstromimpedanz, die sich aus der Tiefe der Verarmungszone der Diode ergibt. Es wurde angegeben, daß eine durch Licht injizierte Ladung diese von der Tiefe der Verarmungszone abhängige Kapazität steuert. Anschließend wird beschrieben, auf welche V/eise diese Steuerung erfolgt.

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Da da3 Schlüsseleleiaent für die Wirkungsweise des Photosensors die Tiefe der Verarmungszone der Ladungsspeicherdiode ist, sind die charakteristischen ^ilurven der Diode die kurven der Abhängigkeit Q = f (V), die in Fig. 4 veranschaulicht sind. In diesen Kurven ist V die Dioden-Sperrspannung und Q die Ladung an der aus Indiura-2'jiiinoxid (ITO) bestehenden ohraschen Kontaktschicht 2a mit der CdS-Schicht 7. Die Licht-' intensität, welche die Dichte gefüllter Donatorzustände η bestimmt, ist der Parameter für die dargestellte Kurvenschar.

Zunächst sei der Dunkelzustarid betrachtet. In diesem Zustand hat die CdS-Schicht 7 in der Diode einen solchen Y/iderstand, daß schon bei sehr kleinen Spannungen V die Tiefe der Verarmungszone leicht von dor CdS-GdTe-Grenzschicht durch die ganze CdS-Schicht (etwa 16 m) getrieben wird. Demgemäß ist im Dunkeln die wechselstrom-Impedanz des Photosensors 16 diejenige eines Kondensators mit parallelen Platten und einem 16 ■ m dicken Dielektrikum aus CdS. Demgemäß ist bei Dunkelheit die in Pig. 4 dargestellte K_urve für Q = f (V) eine gerade Linie.

Als zweites sei der Zustand der Beleuchtung betrachtet, wenn Licht auf die Diode fällt, erzeugen die Photonen Hlelctronen-Loch-Paare in der !.lasse der CdS-Schicht nahe der Grenzfläche zur CdTe-Schicht. Die injizierten Löcher werden in dem CdS an Rekombinationszentren gefangen und bilden eine gespeicherte Ladung. Uenn die an die Diode

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angelegte Sperrspannung gleich Null ist, werden die vom Licht injizierten Elektronen von Fungzentren in der CdS-Schicht gefangen und es wird die gesamte Ladung kompensiert. Demgemäß ist die Ladung der Pi¹O-Plätte "bei der Vorspannung Null gleich Null. Uenn die Spannung jedoch von Null abweicht, wirken die flachen Elektronenfänger effektiv als Donatoren, weil einige der Elektronen beweglich sind, während es die Löcher nicht sind. Demgemäß hängt die Tiefe der Verarmungsschicht von der Spannung in einer Weise ab, die von einer effektiven Donatorkonzentration bestimmt ist, welche von durch Licht injizierten Elektronen erzeugt wird, die von flachen Fangzentren gefangen wurden. Hierbei handelt es sich um den nichtlinearen Bereich der Kurven für die beleuchtete Diode in Fig. 4. \;enn die Spannung einen Zustand erreicht, bei dem die flachen Elektronenfänger geräumt sind, ist die Ladung aus der Hasse der Schicht entfernt und es wird sich die Schicht erneut wie ein 16 m dickes Dielektrikum eines Kondensators verhalten. Die Kurven werden dann zu geraden Linien, die sich parallel zur Kurve für den üunkelzustand erstrecken.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die IClektronenbesetzung der flachen Fangstellen die lichtabhängige Größe ist, welche das Verhalten des Photosensors bestimmt. Diese Größe kann zur Lichtintensität und zu den Ein- und Aus-Zustanden des Sensors durch die Annahme eines Drei-liiveau-Modells für die CdS-Schicht in Beziehung gesetzt werden. Diese drei Niveaus sind (1) ein Rekombinationszentrum, (2) ein flaches Fangzentrum und (3) ein tiefes Fangzentrum.

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Das tiefe Fangzentruia hat eine wichtige Rolle "bezüglich einer Begrenzung der Eigenschaften. Wie bereits früher ausgeführt, sind nicht alle eingefangenen Elektronen frei, sich mit der Frequenz der angelegten V/echselspannung zu bewegen« Demgemäß begrenzen sie die Empfindlichkeit, weil sie viele der durch Licht injizierten Elektronen-Loch-Paare unwirksam machen.

Die Gleichungen, die sich auf die Empfindlichkeit und die Ein- und Aus-Zeiten beziehen und von diesem Drei-ITiveau-Modell abgeleitet sind, sind in der Tabelle I nach £*ig. 13 der Zeichnung zusammengefaßt* Es sei darauf hingewiesen, daß diese Gleichungen den Gleichungen für einen Photoleiter entsprechen, wenn die Dichte der freien Elektronen im Leitungsband des Photoleiters durch die Größe »in» ersetzt wird. Diese Größe tritt auf, weil alle von flachen Zentren gefangenen Elektronen n_f frei sind, sich für den Bruchteil α. einer Periode bei jedem Zyklus zu bewegen, bevor sie zur Elektrode geschwemmt werden. Daher ist '^n_f die effektive Dichte der mittleren freien Elektronen-Population.

Wie bereits früher erwähnt, ist es vorteilhaft, den optischen Absorptionskoeffizienten der CdS-Schicht 7 so zu stufen oder verlaufen zu lassen, daß der Bereich 7b nahe der CdCe-Grenzflache stärker absorbierend ist. Der Vorteil liegt in einer höheren Empfindlichkeit, die auf eine gleichförmigere Trägerinjektion im

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Schichtkörper, eine bessc3re Anpassung an die Spektralverteilung des vom Phosphor einer Kathodenstrahlröhre einfallenden Lichtes und eine höhere Ansammlungs- oder Absaugspannung zurückzuführen ist. Es wurde im Abschnitt II festgestellt, daß die Stufung für die beschriebene CdS/CdTe-Ladungsspeicherdiodenstruktur durch Variation der Substrattemperatur während der CdS-Abscheidung erzielt v/ird.

IV. Technik photoelektrischer Messungen

Die Theorie über die Wirkungsweise der CdS/CdTe-Ladungsspeicherdiode wurde im Abschnitt III qualitativ beschrieben. Die folgenden Abschnitte dienen zur Erläuterung experimenteller Daten. Zuerst werden Daten, welche die dem Modell der Ladungsspeicherdiode zugrundeliegenden Annahmen unterstützen, im Abschnitt V angegeben. Im Abschnitt VI werden dann Daten vorgestellt, die sich auf die Arbeitsweise der Darstellungsvorrichtung beziehen.

In diesen Abschnitt wird die Ließtechnik beschrieben, die angewendet wurde, um die in den nächsten -abschnitten angegebenen Daten zu erhalten. Diese Technik beruht auf der Idee eines Äquivalentschaltbildes für die Lichtventil-Anordnung.

Das Äquivalentschaltbild für das mit Wechselstrom betriebene lichtventil ist in Fig. 5& dargestellt. Es besteht aus zwei Teilen, nämlich einem lichtempfindlichen Element und einem. Satz passiver Komponenten.

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Das lichtempfindliche Element "besteht aus der photoaktiven CdS-Schicht, die mit der elektrisch blockierenden CdTe-Kontaktschicht bedeckt ist, während der Satz passiver Komponenten aus dem dielektrischen Spiegel und der Flüssigkristallschicht besteht. Der dielektrische Spiegel wird einfach durch einen idealen Kondensator G repräsentiert, während die Flüssigkristallschicht durch eine Parallelkombination von Widerstand R, und Kondensator C, dargestellt wird. Der Abschnitt dieses Ersatzschaltbildes, der sich innerhalb des gestrichelten Quadrates 20 befindet, repräsentiert den Photosensor, wie er durch das Ladungsspeicher-Diodenmodell des lichtempfindlichen CdS/CdTe-ülementes beschrieben wird. Darin stellt der Widerstand E den Serienwiderstand des nichtverarmten Bereiches der CdS-Schicht und der Widerstand R den festwiderstand des verarmten Bereiches der CdS-Schicht dar. Die licht- und spannungsabhängigen Variationen der Kapazität C der Verarmungszone wurden oben beschrieben. Es wurde angenommen, daß R im wesentlichen gleich Null und R im wesentlichen gleich ^c* ■ ist. Die Diode D stellt den Übergang zwischen den Schichten 7 und 6 dar.

Bei dem Modell dieser Struktur wird angenommen, daß Lichtelektronen-Loch-Paare in den stark absorbierenden Orange-Bereich des CdS nahe der Grenzfläche zum CdTe injiziert. Die injizierten Löcher werden fast sofort von RekombinationsZentren im CdS eingefangen, wie es auch der Fall bei einem Photoleiter ist. Die impedanz des Photosensors wird jedoch nicht resistiv, sondern kapazitiv gesteuert. Die Impedanz wird von der Sperrspannungs-Wechselstrom-Photokapazität gesteuert, die

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einer Verarmungszone zugeordnet ist, die von der CdS/CdTe-Grenzflache ausgeht. Die Tiefe dieser Verarmungszone und infolgedessen die Photokai^azität wird durch eine Modulation dex* effektiven Donatorkonzentration mittels durch Licht injizierter Elektronen gesteuert, die von flachen Fangzentren in dem stark absorbierenden CdS-Bereich eingefangen weiten.

Dieses Photosensor-Lodell entspx'icht einem Photoleiter insoweit, als Löcher im Cdü-Körper gefangen werden. Demgemäß liegt die Kipektralempfindlicukeit des Uubstx'ates nahe der Bandkante des CdS und es wixlct die Anordnung im !«echselütrombeti'ieb verstärkend« Eine Verstärkung tritt ein, weil ein Elektronen-Loch-Paar mehr als einmal getrennt werden, kann, tatsächlich bewegen sich die Elektronen unter dem Einfluß des Wechselfeldes von beispielsweise 2 IdIz mehrfach im Bereich zwischen der CdÖ/CdTe-ürenzfläche und der Gdß/I^rxO-Grenzfläche hin und hex^, bevor eine Kekorabination mit Löchern an GdB-IiekombinationsZentren stattfindet. Die Hin- und Herbewegung der Elektronen kann beispielsweise ~$O ms dauern. Die liekombinations-EiOignisse gehorchen ebenso wie bei einem Photoleiter statistischen Gesetzen.

Der Photosensor unterscheidet sich von einem Photoleiter darin, daß die \iechselstrom-Impedanz von einem photokapazitiven Element und nicht von einem photoresistiven Element gesteuert wx3?d. Wie eine Photodiode arbeitet die imordnung den größten Teil der Zeit mit einer opexrcspaiinuug.

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Das iiquivalentschaltbild des hypothetischen Ladungsspeicherdiodenmodells ist im einzelnen in Fig. 5^a und in einer vereinfachten Form in Fig. 5b dargestellt. Das Banddiagramm der Anordnung zeigt Fig. 11 <,

Die im Abschnitt V behandelten Daten des Photosensors beziehen sich auf den Abschnitt des Äquivalenzschaltbildes, der sich innerhalb des gestrichelten Quadrates 20 befindet. Für diese Daten werden die Effekte der passiven Komponenten des .aquivalenzschaltbildes auf ein Minimum reduziert. Diese Daten werden durch experimentelle Kurven für Q = f (V) veranschaulicht, die den Kurven nach Fig. 4 entsprechen. Die Kurve nach Fig. H- wurde vorher benutzt, um die Wirkungsweise der Ladungsspeicherdiode zu erläutern. Die zum Erhalt der experimentellen Daten benutzten Proben bestehen aus der Standardkombination ITO/CdS. Der elektrische Sperrkontakt 6 wird jedoch

von einem Silberlackkontakt mit einer Fläche von 0,5 cm anstatt von der üblichen OdTe_Sperrkontaktschicht gebildet. Versuche haben gezeigt, daß diese beiden Kontaktarten äquivalent sind. Dann wurden experimentell die •Kurven Q = f (V) aufgenommen, indem die ITO/Odö/Ag-Probe in Serie zu einem großen Kondensator geschaltet und die Kombination mit einer Sägezahnspannung von 60 V Spitzenspannung betrieben wurde. Die Kurven für Q = f (V) werden erhalten, wenn auf der y-Achse die Spannung an dem großen. Serien-Kondensator und auf der x-Achse die dem Photosensor zugeführte Spannung aufgetragen wird. Diese Q in Abhängigkeit von V angebenden Kurven werden bei Frequenzen, Lichtintensitäten und Spannungen gemessen, welche für die Eigenschaften der Anordnung von Interesse sind.

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Die im Abschnitt VI angegebenen Daten bezüglich der Grau-Skala und der jmsprechzeit beziehen sich auf das iiquivalentschaltbild der gesamten Lichtventilanordnung. Um diese Daten su gewinnen, wurde das ITO/OdS/Ag-!auster in Serie zu Impedanzen geschaltet, welche einen dielektrischen Spiegel und eine 4- m dicke Flüssigkristallschicht repräsentieren, i^lle Impedanz-

p werte wurden zur der Kontaktfläche von 0,5 cia'".der Silberelektrode in Beziehung gesetzt. Hs wurde festgestellt, daß die Daten dieser !ersatzschaltung gültig sind, indem für die Ursatzschaltung erhaltene Daten mit den Daten von vollständigen Flüssigkrißtall-Lichtventil-Anordnungen verglichen wurden.

V. Nachprüfung von grundsätzlichen

Annahmen für das Photosensor-Modell

Zunächst ist es wichtig, die beiden gr\ondsätzlichen Annahmen nachzuprüfen, die oben für das Modell der Speicherladungsdiode gemacht wurden, daß nämlich

a) nur in der Cdß-Schicht und nicht in der Gd"e-Schicht absorbiertes Licht zu der in der Diode gespeicherten Ladung beiträgt, und

b) die kapazitive Impedanz, die sich aus der Tiefe der Verarmungszone der CdS-Diode ergibt, die dominierende Komponente der lichtabhängigen Impedanz ist.

Die erste Annahme wird durch die folgenden experimenten Beobachtungen bestätigt:

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Λ ο Die spektrale Empfindlichkeit hat ihr Maximum an der GdB-Bandkante und fällt in Richtung liot sehr schnell ab. Die Daten der Tabelle II sind für die Empfindlichkeit eines Wechselstrom-Lichtventiles typisch. 'Venn im CdTe erzeugte Elektronen-Loch-Paare von Bedeutung wären, so wäre die Kot-Empfindlichkeit mit der Grün-Empfindlichkeit vergleichbar.

2. Das Hochfrequenz-Schaltverhältnis ist größer als es theoretisch beim Verstärkungsfaktor 1 sein dürfte, und außerden in erster Näherung von der Frequenz unabhängig. Tatsächlich müsste das theoretische Schaltverhältnis bei der Ver-Stärkung 1 sowie bei 2 IcHz, 100 ti W/cm*" und 50 V Spannung zwischen den Spitzen den Wert 1,1 haben. Dieser Wert ist sehr viel niedriger als der beobachtete Wert von beispielsweise 1,77 gemäß Tabelle II„ Eine höhere "Verstärkung als 1 und die frequenzunabhängige Charakteristik ergeben sich natürlich aus der Hypothese, daß in dem CdS Löcher eingefangen werden.

3. Der Silber-Sperrkontakt ist dem CdTe-Sperrkontakt äquivalent. Auch hieraus ist zu schließen, daß die Eigenschaften der CdS-Schicht die Eigenschaften des Photosensors bestimmen.

Die zweite Annahme, daß sich die aus der Tiefe der Verarmungszone ergebende Photokapazität die Eigenschaften des mit Wechselstrom betriebenen Photosensors bestimmt,

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kann unter Bezugnahme auf das verallgemeinerte Äquivalenzschaltbild für die Ladungsspeicherdiode nach Fig. 5a bestätigt werden. Wenn diese Annahme gültig ist, dann gilt

Die Größe R ist der Photo\viderstand der nicht verarmten CdS-Schicht. Anhand von G-leichstrommessungen der maximalen Spektralempfindlichkeit unter "Verwendung ohmocher Kontakte kann ein angenäherter Wert für R berechnet werden. Aufgrund dieses berechneten Wertes für R müsste man bei einem auf Photoleitung basierenden Modell ein Dioden-Schaltverhältnis von mehr als 10 zu 1 bei einem kapazitivem Kurzschluß erwarten, wenn die Kapazität der Verarmungszone vernachlässigt werden könnte. Weiterhin müsste man für ein Ladungsspeicherdiodenmodell erwarten, daß die kapazitive Wirkung der Verarmungsζone bei kleinen Spannungen weniger bedeutend wird. Dann sollte das Wechselstrom-Schaltverhältnis den Wert 10 bei einem kapazitiven Kurzschluß überschreiten, wenn die zugeführte Spannung zwischen den Spitzen sich dem Wert 0 nähert. Wie Fig. 6 zeigt, wird dieser Trend tatsächlich beobachtet. Weiterhin kann für eine gleichförmige stöchiometrische Schicht eine exponentielle Lichtabsorption angenommen werden, d.h. daß F und η- mit dem Abstand von der PfO/GdS-Grenafläche exponentiell abfallen.

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Dann ergibt eine Lösung der Maxwell¹sehen Gleichungen, wie der Gl. (2) und (3) nach Tabelle I, unter Annahme einer exponentiellen Verteilung von n., die theoretische Schaltverhältnis-Kurve nach Fig. 6. Dieses Schaltverhtiltnia ist unter der Annahme berechnet, daß der kapazitive Widerstand der Verarmungszone den Widerstand R überwiegt. Danach übertrifft die Photokaj^azität den Widerstand R bei 200 Hz. Dies gilt auch bei hohen Frequenzen und hohen Lichtintensitäten.

Die Gültigkeit der Annahme, daß R„>> 1Ä⁵C , kann durch einen Vergleich experimentell aufgenommener Kurven für Q = f (V) mit den entsprechenden theoretischen Kurven nach Fig. 4 nachgewiesen werden. Experimentell aufgenommene Kurven für die Ladung Q in Abhängigkeit von der Spannung V sind in Fig. 7 für 2 kHz und verschiedene Lichtpegel dargestellt. Diese Kurven zeigen eine kleine Hysterese der Q-Werte bei steigender und fallender Spannung. Die gemittelten Kurven stimmen jedoch gut mit den Kurven nach Fig. 4- zusammen. Die beobachtete Hysterese ist das Ergebnis eines endlichen Widerstandes R . Physikalisch gibt R den Restwiderstand der verarmten Zone der CdS-Schicht an. R„ hat in dieser Zone einen endlichen Wert, weil auch dann, wenn die flachen Zentren leer sind, Träger noch immer in die verarmte Zone durch Lichtabsorption und das Leeren tiefer Fangniveaus injiziert werden können. Diese Trägerinjektion in die Verarmungszone führt zu der Hysterese, weil eine Rekombination nur dann stattfindet, wenn Elektronen und Löcher gemeinsam in der Masse der Schicht vorhanden ist und dieser

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Fall vorwiegend auftritt, wenn sich die Spannung dem Nullwert nähert. Daher führt eine Ansammlung der Plattenladung von der Ladungsträgerinjektioii über Lichtabsorption und die Entleerung tiefer längsteilen zu einer größeren Ladung in größeren ZeitIntervallen, die vom Nullbereich der Spannung aus gelassen werden. Daher hat sich bei abfallendem (v{ mehr Spannung angesammelt als bei ansteigendem \v\ , wie es Fig. 7 zeigt.

Trotz der vorhandenen Hysterese ist die Annahme, daß R »· 1/ΦΟ eine zu guten Ergebnissen führende, erste Näherung ist. Dies folgt aus der Tatsache, daß die bei geringer Lichtintensität auftretende Hystereseladung gegenwärtig nicht mehr als etwa 2O/0 der Ladung der flachen Zentren beträgt und daß die Hystereseladung in dem Maße abnehmen wird, wie die Schichten verbessert werden, also die Dichte von tiefen Fangzentren abnimmt.

VI. Auf den Photosensor bezogene Eigenschaften des Lichtventils

Im letzten Abschnitt war der Augenmerk auf das enge Ziel gerichtet, das Modell der Ladungsspeicherdiode zu verifizieren. Dieser Abschnitt liegt unter einem anderen und breiteren Gesichtswinkel. Die verfolgten Zwecke sind dreifach.

Als erstes sollen Daten über den Photosensor vorgelegt werden, die für die Wirkungsweise des Lichtventil-Darstellungssystems von Bedeutung sind« Diese Daten wurden bisher nicht gezeigt und sind von einigem Interesse.

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Beispielsweise "zeigen- die D<rten über die Ansprechzeit, daß der Photosensor in der Lage ist, mit nahezu

!betrieben zu werden.

Als zweites soll gezeigt werden, daß diese Daten über das Darstellungssystem sehr gut mit der liodellvorstellung übereinstimmen.,

Drittens soll gezeigt werden, daß geringe Abweichungen vom liodell dem Vorliegen von mehr als einem tiefen Fangniveau zugeschrieben werden können und daß infolgedessen Verbesserungen in der Qualität der polykristallinen Cäü-Üchicht zu einer besseren Übereinstimmung mit dem Itodell führen müssen.

Ik* G-rauSfcala-Daten

\/ie oben angegeben, wurden die experimentellen Kurven der Punktion Q = f (V) mit einem Derienkondensator kleiner Impedanz aufgenommen, Die Aufnahme erfolgte durch Photograph!eren von Oszillographen-üchirmbildern bei 200 11% und 2 kHz, Die gemittelten Kurven sind in den Fig. 0 und 9 iür einen metallischen Kontakt von 0,5 cm Fläche dargestellt.

Als nächstes wurden Impedanzen, die einer 4 (<m dicken i'lüssigkristallschicht entsprachen und maßstäblich an die Kontalctflachen von 0,5 cm angepaßt waren, in den Kreis eingeschaltet, um das Äquivalenzschaltbild eines wechselstroiabetriebenen Lichtventiles zu vex^'/irklichen. Dann wurdeii bei verschiedenen Liiüitintensitäten die Gleichgewichts-üpitzenstrom-Üclialtverhältnisse gemessen. Endlich

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wurden in den Diagramuen der geiaittelteii Kurven für Q = f (V) gezogen, welche die Lastkurven für den Photosensor darstellen. Diese geraden Linien wurden in Übereinstimmung mit den gemessenen gesättigten Licht-Schaltverhältnissen eingezeichnet. Anhand der Schnittpunkte der geraden Linien mit den Q—Kurven wurden Grauskalen-üchaltverhältnisse bestimmt. Diese vorausbestimmten Grauskalendaten sind in Tabelle III mit den gemessenen Gleichgewichts-Schaltverhältnissen verglichen. Die !Tabelle III zeigt, daß Theorie und Messung sehr gut übereinstimmen.

Die Information über die Lichtintensität in den Kurven für Q = f (V) nach den Fig. 8 und 9 macht es auch möglich, die Gültigkeit der quadratischen Beziehung zwischen Q₁J und 1? nach Gl. (5) in Tabelle I in Fig. 13 zu überprüfen. Zu diesen ^weck ist in Fig. 10 log Q<f in Abhängigkeit von log F aufgetragen. Die Übereinstimmung mit der vorhergesagten Steigung 2 ist ausreichend gut. Die Abweichung bei hohen Lichtintensitäten kann wie folgt erläutert xverden: V/ie erwähnt ist j der Bruchteil einer Periode, während dem ein Plektron in der CdS-üchicht frei bleibt, bevor es zur Elektrode abgeführt wird. Die zum Abführen des Elektrons benötigte Seit ist der Driftgeschwindigkeit umgekehrt proportional. In einem Photoleiter mit einex* Vielzahl von Fangstellen nimmt die Driftgeschwindigkeit bei höheren Lichtpegeln zu (siehe z.B. H.H. Bube und H.E. Macdonald in Phya. üev. 121, (1961))· Diese Erscheinung führt zu einer abnähme von >L bei hohen Lichtpegeln und es wird demgemäß in Fig. 10 eine Steigung von mehr als 2 beobachtet. Dieser Effekt kann jedoch als eine ütörung höherer Ordnung bein Ladungsspeicherdiodeniaodell betrachtet werden.

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B. Ansprechzeit-Daten

Die Ansprechzeit des Photοsensors ergibt sich aus der Hüllkurve des für die Äquivalenz schaltung geraessenen Spitzenstromes "beim i^in- oder ims α ehalt en der Substrat-Beleuchtung. Tabelle IV nach Fig. 16 zeigt die für 2 MIz gemessene Ansprechzeit der ix quival enz schaltung.

ils ist interessant, die für die Ansprechzeit gemessenen Daten nach Tabelle IV mit den Vorhersagen nach den Gl. (6) und (7) der Tabelle I zu vergleichen.

In dem durch die Gleichungen der Tabelle I beschriebenen System mit zwei Fangniveaus läßt die Abhängigkeit von n^i von F "~ nach Gl. (5) in Verbindung mit der Abhängigkeit von T„_·_._ von (n^l)"" gemäß Gl. (6) erwarten, daß T- „„ eine Funktion von F~ ist. Demgemäß müsste die experimentelle Kurve für log I in Abhängigkeit von log T ·

rise

die Steigung -2 haben. Diese Daten sind in Fig. 10 für den Fall 2 kHz dargestellt. Datenpunkte für die Anstiegszeit bei 200 Hz sind- ebenfalls gezeigt. In jedem Fall hat die' Funktion den Anstieg -2 für die Daten oberhalb 100 IL W/cm"", jedoch besteht eine deutliche Anomaly für die unterhalb dieses Lichtpegels gemessenen Daten. Die bei niedrigem Idchtpegel erhaltenen Daten stimmen eher mit einer Kurve mit dem Anstieg -1 überein. Dieser -anstieg -1 kann auftreten, wenn ein zweites tiefes Elektronenfangniveau in der durch Verstäuben aufgebrachten CdS-Schicht existiert.

Die Steigung -1 kann wie folgt erklärt werden: Die Gl. (6) in Tabelle I nach Fig. 13 beschreibt die Anstiegszeit des

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Photosensors. Diese Gleichung beruht auf der Annahme, daß. die Anstiegszeit einfach diejenige Zeit ist, die zum Laden der CdS/GdTe-Ladungsspeicherdiode benötigt wird. Da der Aufladevorgang im wesentlichen in dem Füllen der tiefen Fangniveaus besteht, ist die benötigte Zeit einfach η /F. Das Problem besteht darin^ η zu beschreiben. Bei dem Modell mit zwei Elektronenfangniveaus ist die Besetzung des tiefen Fangniveaus eine Punktion

λ/ρ

von F und in der Tat von F * abhängig. Wenn gedoch das Ferminiveau im Dunkelzustand sehr tief ist und die Schicht eine Anzahl tiefer ITiveaus besitzt, dann müssen die unteren tiefen Niveaus annähernd gefüllt sein, bevor die flachen Zentren genügend aufgefüllt werden können, um die Tiefe der Verarmungsschicht erheblich zu beeinflussen* Wenn N die Dichte der gefangenen

SS

Elektronen angibt, dann wird in dem Ausdruck für die Anstiegszeit η zu N . Die Größe N ist angenähert

S SS SS

gleich der Dichte der unteren tiefen Fangzentren und daher keine Funktion von F. Daher muß die Anstiegszeit

—Λ
einer Funktion von F sein. Dies erklärt den Anstieg -1, wie er für'geringe Lichtintensitäten nach Fig. 11 beobachtet wird·

Hinsichtlich der Abklingzeit des Photosensors ist zu bemerken, daß die Gl. (?) nach (Tabelle I zwei Fälle umfaßt, nämlich die Beherrschung der Abklingzeit durch Rekombination oder durch Freigabe gefangener Ladungsträger (detrapping). Wenn die Abklingzeit durch Freigabe gefangener Ladungsträger bestimmt wird, sagt Gl. (7)

—1
eine konstante Abklingzeit P voraus, die von der

Lichtintensität unabhängig ist„ Dies beschreibt offensichtlich die Daten bei 2 kHz.

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VII. Schlußfolgerungen

Der Ilauptteil der in den vorangegangenen Abschnitten behandelten Daten stützt das vorgestellte Modell der Lad-ungsspeicherdiode. Es wurden jedoch einige Abweichungen von dem einfachen Drei-liiveau-lviodell beobachtet. Diese experimentellen Abweichungen können wie folgt zusammengefaßt v/erden:

a) Die Kurven für Q = f (V) haben eine Hysterese.

b) Die Einschaltzeit bei kleiner Lichtintensität ist verlängert.

c) Es bestehen Probleme hinsichtlich Änderungen der Driftgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lichtintensität und der Vechselstromfrequenz.

Es wurde festgestellt, daß diese Abweichungen auf eine Mehrzahl von tiefen Elektronenfangniveaus in der CdS-Schicht zurückgeführt werden können.

Die Tatsache, daß ein brauchbares Modell zur Beschreibung des Uechselstrom-Ansprechverhaltens von CdS/CdT'ei-Photosensoren entwickelt werden konnte, führt zu der bedeutenden Schlußfolgerung, daß in dem Maß, wie die Dichte tiefer Fangstellen in den Schichten reduziert werden kann, die Ansprechzeit des Darstellungssystems vermindert und dessen Empfindlichkeit erhöht werden kann. Diese Folgerung gilt auch im Hinblick auf die beobachteten Abweichungen.

Daa Ausmaß, der möglichen Verbesserung von Empfindlichkeit und Einschaltzeit kann ausgehend von den gegenwärtig erreichten Eigenschaften abgeschätzt werden. Bo kann anhand

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der Daten gemäß Fig. 8 für die 4O/*Y//cm -Kurve die (bewegliche) Ladung n-, der flachen Fangstellen be-

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rechnet werden. Es ergibt sich n» = 3 x 10 Elektronen/cnr

Anhand der gemessenen 30 ms Einschaltζoit bei 40 (I W/cm ~ und 200 Hz nach Fig. 11 kann die gespeicherte Ladung in

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den tiefen Fangstellen mit 10 Elektronen/cm^ berechnet werden. Daraus ergibt sich, daß die wirksame Ladung von 3 x 10 /cnr nur 3% der gespeicherten Ladung von 10 /cm^ beträgt, also nur 3% der injizierten Ladung wirksam ist. Demgemäß bleibt für "Verbesserungen ein beträchtlicher Raum. Diese Verbesserung kann durch eine Reduzierung der Dichte der tiefen Fangstellen realisiert werden. Dies wiederum kann durch Erzeugung einer Struktur mit gestufter Absorption erfolgen, indem Schichten mit gestuftem Bandabstand erzeugt werden, die beispielsweise aus CdS„ __Se bestehen.

Es versteht sich, daß das oben beschriebene Modell durch eine Analyse bestätigt worden ist, bei der von Methoden der mathematischen Physi3fc Gebrauch gemacht wurde und die zu den in Tabelle I angegebenen Gleichungen geführt hat. Solche Methoden sind dem Fachmann bekannt. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit der qualitativen Beschreibung des Modells wurde vorgelegt.

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Claims

Patentansprüche

ί1./Photodiode für ein mit Wechselstrom betriebenes - Lichtventil von der Art, bei der die Photokapazitat einer lichtempfindlichen Halbleiterschicht der Diode, die von einem transparenten Substrat des Ventils getragen wird und durch das Substrat hindurch einfallendes Licht empfängt, in Abhängigkeit von Änderungen der Intensität des einfallenden Lichtes modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Halbleiterschicht (7 bzw. 6) den gleichrichtenden Übergang einer Ladungsspeicherdiode bilden, daß die erste Halbleiterschicht (7) einen lichtempfindlichen Photoleiter bildet, dessen Photokapazitat in Abhängigkeit von Änderungen der Intensität des einfallenden Lichtes modulierbar ist, und die zweite Halbleiterschicht (6) eine zur Polarität der ersten Halbleiterschicht entgegengesetzte Polarität aufweist, und daß die erste Halbleiterschicht (7) einen ersten Bereich (7a)* in dem die Störstellen mit geringer Dichte vorliegen, und einen zweiten Bereich (7"b) in dem die Störstellen mit einer höheren Dichte vorliegen, umfaßt, und der zweite Bereich (7b) an den Übergang angrenzt und der dem zweiten Bereich (7b) benachbarte erste Bereich (7a) dem einfallenden Licht ausgesetzt ist, das Ladungsträger erzeugt, die in dem zweiten Bereich gespeichert werden und die Tiefe der dem Übergang benachbarten, photokapazitiven Verarmungszone ändern, um die Empfindlichkeit der Diode zu erhöhen·

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2_β Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) dicker ist als deren zweiter Bereich (7b)» wodurch der Dunkelstrom auf ein Minimum reduziert "wird.

3. Photodiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (7a) wenigstens 12,um dick und der zweite Bereich (7b) wenigstens 4- M-m dick und außerdem der erste Bereich wenigstens doppelt so dick ist wie der zweite.

4. Photodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) aus Cadmiumsulfid besteht und die Störstellen sowohl von flachen Elektronenfängern als auch von Rekombinationszentren gebildet werden»

Photodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (7b) der ersten Halbleiterschicht (7) aus einer Legierung mit dem Halbleitermaterial des ersten Bereiches (7a) der Halbleiterschicht besteht, so daß der Bandabstand im zweiten Bereich von demjenigen im ersten Bereich abweicht und die Störstellen im zweiten Bereich die Atome des Legierungsmaterials umfassen.

6. Photodiode nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der das Halbleitermaterial bildenden Elemente im ersten Bereich (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) das stöchiometrische Verhältnis besser einhalten als in deren zweitem Bereich (7b)·

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Photodiode nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (7&) der ersten Halbleiterschicht aus CdS und der zweite Bereich aus CdS. Se besteht, so daß der zweite Bereich einen zu dem vom reinen CdS gebildeten "gelben" Bereich verhältnismäßig "orangefarbenen" Bereich bildete

Photodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (7t>) der ersten Halbleiterschicht einen höheren optischen Absorptionskoeffizienten aufweist als deren erster Bereich (7a).

9. Photodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) auf Strahlung in einem breiten Spektralbereich mit nichtexponentieller Trägererzeugung und kleinen Rekombinationsgeschwindigkeiten anspricht.

10. Photodiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Spektralempfindlichkeit der ersten Halbleiterschicht (7) im wesentlichen mit der Strahlungscharakteristik des P-1-Phosphors einer gebräuchlichen Kathodenstrahlröhre im wesentlichen übereinstimmt»

11. Verfahren zur Herstellung einer Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4- und 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) auf dem Substrat (1a, 2a) abgeschieden und dabei zur Variation der Störstellendichte von einem geringen

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Wert im ersten Bereich (7a). auf einen hohen Wert im zweiten Bereich (7b) die Temperatur des Substrates allmählich vermindert wird,,

12. Verfahren zur Herstellung einer Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) auf dem Substrat (1a, 2a) abgeschieden und dabei eine Legierung aus CdS und GdSe erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat GdS durch reaktives Zerstäuben zunächst in einer HpS-Atmosphäre und dann in einer HpSe-Atmosphäre aufgebracht wirdo

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) auf das Substrat (la, 2a) durch reaktives Zerstäuben von GdS von einem ersten Target und der zweite Bereich (7h) der ersten Halbleiterschicht (7) auf den ersten Bereich, durch reaktives Zerstäuben von GdS. Se von einem zweiten Target aufgebracht wirdo

15« Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereiche der ersten Halbleiterschicht (7) durch Aufdampfen aus zwei Schiffchen mit anschließender Behandlung in einer H^S-Atmosphäre aufgebracht werden und bei einem ersten Verdampfungsschritt ein erster Bereich (7a) aus GdS und bei einem zweiten Verdampfungsschritt ein zweiter Bereich (7b) aus GdS „. „Se auf gebracht wird»

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