DE3526337C2

DE3526337C2 -

Info

Publication number: DE3526337C2
Application number: DE3526337A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Osaka Jp Sannomiya; Masaya Yamatokoriyama Nara Us Hijikigawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-07-24
Filing date: 1985-07-23
Publication date: 1992-01-09
Also published as: DE3526337A1; GB2164792A; GB8518604D0; JPS6132481A; US4698658A; GB2164792B

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter- Farbsensor.

Ein derartiger Halbleiter-Farbsensor ist in der US-PS 43 18 115 dargestellt, wobei dieser eine p-Siliciumkristallschicht, eine n-Siliciumkristallschicht und eine p-Siliciumkristallschicht umfaßt, auf welchen jeweils Elektroden angeordnet sind, um in Siliciumkristallchips Doppelphotodetektoren zu bilden, von welchen einer als eine einen pn- Übergang an der oberen Position enthaltende Photodiode gebildet ist, mit einer Empfindlichkeit gegenüber kurzen Wellenlängen, und der andere eine einen weiteren pn-Übergang an der unteren Position enthaltende Photodiode ist mit einer Empfindlichkeit gegenüber langen Wellenlängen. Die obere Photodiode hat die Funktion eines Filters für die untere Photodiode. Das Verhältnis des Kurzschlußstromes zwischen den Elektroden der oberen Photodiode gegenüber dem Kurzschlußstrom der Elektroden der unteren Photodiode wird durch eine Funktion erster Ordnung der Wellenlänge des auffallenden Lichtstrahls dargestellt und auf diese Weise kann dieser herkömmliche Halbleiter-Farbsensor die Farbe eines auffallenden Lichtstrahls erfassen.

Weiterhin sind aus der GB-A 20 47 463 Silicium-Solarzellen bekannt, die aus amorphem Silicium hergestellt sind und einen Schichtaufbau mit der Schichtfolge p-i-n oder n-i-p besitzen.

Der aus der US-PS 43 18 115 bekannte Farbsensor besitzt einen komplizierten Schichtaufbau, so daß er deshalb und aufgrund der Verwendung von kristallinem Silicium teuer in der Herstellung ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Halbleiter-Farbsensor in der Herstellung einfacher und kostengünstiger zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 und 2 zeigen ein schematisches Diagramm der Struktur eines amorphen Halbleiterelements.

Fig. 3 bis 5 zeigen schematische Diagramme, die jeweils den Aufbau anderer amorpher Halbleiterelemente gemäß der Erfindung darstellen.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zu einem Zeitpunkt, bei welchem jede der Ausgangsklemmen des amorphen Halbleiterelementes gemäß der Erfindung kurzgeschlossen ist.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Kurven der spektroskopischen Sensitivitätskennlinie des amorphen Halbleiterelementes gemäß der Erfindung.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeitskurve der Kurzschlußströme eines Elements gemäß der Erfindung gegenüber den Wellenlängen eines auffallenden Lichtstrahls.

Fig. 9 ist ein Signalverarbeitungsschaltkreis, der mit einem erfindungsgemäßen Element zu verbinden ist.

Fig. 10 ein Diagramm der Abhängigkeitskurve der Ausgangsspannung des mit einem Element verbundenen Signalverarbeitungsschaltkreises gegenüber der Wellenlänge eines auffallenden Lichtstrahls.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines amorphen Farbsensor-Halbleiterelements, wobei eine Bor-dotierte p-amorphe Siliciumschicht 12, eine undotierte oder eine schwach Bor- dotierte i-amorphe Siliciumschicht 13, eine Phosphor- dotierte n-amorphe Siliciumschicht 14, eine undotierte oder schwach Bor-dotierte i-amorphe Siliciumschicht 15, eine Bor-dotierte p-amorphe Siliciumschicht 16 und ein transparenter leitfähiger Film 17 aus Indiumoxid, Zinnoxid, einer Indiumoxid/Zinnoxidlegierung (In₂O₃+SnO₂, SnO₂ ≦ 10%), oder dgl. in dieser Reihenfolge auf ein Metallsubstrat 11 laminiert sind. Die Elektroden I, II und III sind jeweils oben auf dem transparenten leitfähigen Film 17, in der mittleren Position der n-amorphen Siliciumschicht 14 bzw. unten an dem Metallsubstrat 11 angeordnet. Wie oben beschrieben hat das amorphe Halbleiterelement eine p-i-n-i-p-geschichtete Struktur, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das Element kann eine n-i-p-i-n-geschichtete Struktur haben, bei welcher der Strom in umgekehrter Richtung zu der in der oben beschriebenen p-i-n-i-p-geschichteten Struktur fließt, obgleich es in der gleichen Weise wie oben angegeben arbeitet.

Wenn jede der n- (oder p-)amorphen Siliciumschichten einen hohen Widerstand hat, so daß von dem Element ausreichender Strom nicht erzeugt werden kann, ist es möglich, wenn erwünscht, einen schwach kristallinen Film zu jeder der n- (oder p-)amorphen Siliciumschichten zuzufügen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines weiteren amorphen Halbleiterelements, welches ein lichtdurchlässiges Substrat 21, z. B. Glas, eine transparente leitfähige Filmschicht 18, eine p-amorphe Siliciumschicht 12, eine i-amorphe Siliciumschicht 13, eine n- amorphe Siliciumschicht 14, eine i-amorphe Siliciumschicht 15, eine p-amorphe Siliciumschicht 16 und eine Metallfolie 20 in dieser Reihenfolge umfaßt. Die Elektroden I, II und III sind jeweils auf der transparenten leitfähigen Filmschicht 18, der n-amorphen Siliciumschicht 14 bzw. der Metallfolie 20 angeordnet. Dieses das lichtdurchlässige Substrat 21 verwendende Element der Fig. 2 ist von dem zuvor beschriebenen, das Metallsubstrat 11 verwendenden Element der Fig. 1 verschieden, bei dem, da das lichtdurchlässige Substrat 21 nicht elektrisch leitfähig ist, der transparente leitfähige Film 18 zwischen dem lichtdurchlässigen Substrat 21 und der p-amorphen Siliciumschicht 12 angeordnet ist. Der transparente leitfähige Film 18 ist vorzugsweise eine doppelt geschichtete Struktur aus Indiumoxid-Zinnoxid und Zinnoxid zur Verbesserung der Charakteristika des Elements.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen amorphen Halbleiterelements, wobei die n- (oder p-)amorphe Siliciumschicht 14 der Fig. 1 aus zwei geschichteten Teilen 14 und 14′ mit einem dazwischengeschichteten transparenten leitfähigen Film 19 zusammengesetzt ist, so daß Strom aus dem Element leicht freigegeben werden kann, obwohl die n- (oder p-)amorphe Siliciumschicht einen hohen Widerstand besitzt. Im übrigen entspricht der Farbsensor gemäß Fig. 3 dem gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen amorphen Halbleiterelements, wobei die n- (oder p-)amorphe Siliciumschicht entsprechend der n- (oder p-)amorphen Siliciumschicht 14 der Fig. 2 ebenfalls aus zwei geschichteten Teilen 14 und 14′ mit einem dazwischengeschichteten transparenten leitfähigen Film 19 zusammengesetzt ist, und dadurch dieselbe Wirkung wie bei dem Element nach Fig. 3 erhalten wird. Im übrigen besteht Übereinstimmung mit Fig. 2.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen amorphen Halbleiterelements, wobei auf eine Seite eines lichtdurchlässigen Substrats 21, z. B. Glas, eine transparente leitfähige Filmschicht 18′, eine n-amorphe Siliciumschicht 14′, eine i-amorphe Siliciumschicht 15, eine p-amorphe Siliciumschicht 16, und ein transparenter leitfähiger Film 17 in dieser Reihenfolge laminiert sind, während auf der anderen Seite des lichtdurchlässigen Substrats 21 eine transparente leitfähige Filmschicht 18, eine n-amorphe Siliciumschicht 14, eine i-amorphe Siliciumschicht 13, eine p-amorphe Siliciumschicht 12 und ein Metallfilm 20 in dieser Reihenfolge laminiert sind. Am transparenten leitfähigen Film 17 ist eine erste Klemme I angebracht. Zweite Klemmen II und II sind jeweils an den transparenten leitfähigen Filmschichten 18 bzw. 18′ angebracht. Eine dritte Klemme III ist am Metallfilm 20 angebracht.

Der Betrieb des in Fig. 3 gezeigten Elements wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 6, die die Schaltung zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn die Elektroden I und II bzw. die Elektroden II und III kurzgeschlossen sind, näher erläutert.

Beim Auffallen eines Lichtstrahls auf die transparente Elektrode 17 werden von der ersten Photodiode der p-i-n- geschichteten Struktur, zusammengesetzt aus p-Schicht 16, i-Schicht 15 und n-Schicht 14, und von der zweiten Photodiode der n-i-p-geschichteten Struktur, zusammengesetzt aus n-Schicht 14, i-Schicht 13 und p-Schicht 12, die Kurzschlußströme Isc₁, bzw. Isc₂ erzeugt. Die erste Photodiode der p-i-n-geschichteten Struktur, die aus den Schichten 14 bis 16 zusammengesetzt ist, wirkt als Filter für die zweite Photodiode der n-i-p-geschichteten Struktur aus den Schichten 12 bis 14 und somit, wie in Fig. 7 dargestellt, zeigt die spektrale Empfindlichkeitskennlinie der ersten Photodiode auf der den auffallenden Lichtstrahl erhaltenden Seite die maximale Empfindlichkeit gegenüber kurzen Wellenlängen, während jene der zweiten Photodiode an der unteren Position die maximale Empfindlichkeit gegenüber langen Wellenlängen zeigt.

Fig. 8, welche die Beziehung zwischen der Wellenlänge eines auffallenden Lichtstrahls und dem Verhältnis des Kurzschlußstroms Isc₁ zum Kurzschlußstrom Isc₂ zeigt, gibt an, daß das Verhältnis von Isc₁ zu Isc₂ eine Funktion erster Ordnung der Wellenlänge des auffallenden Lichtstrahls auf das Element darstellt, woraus sich ein Ausgangssignal ergibt, das durch eine Funktion erster Ordnung einer spezifischen Wellenlänge dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Element arbeitet auf diese Weise als Farbsensor.

Wenn ein Signalverarbeitungsschaltkreis (z. B. der in Fig. 9 gezeigte Schaltkreis) mit den Elektroden I, II und III des vorliegenden Elements verbunden ist, kann die Spannung, die als Funktion erster Ordnung einer bestimmten Wellenlänge dargestellt ist, erzeugt werden.

Claims

1. Halbleiter-Farbsensor, bei dem auf einem elektrisch leitfähigen Träger (11, 20) halbleitende Schichten aus amorphen Silicium übereinander angeordnet und derart dotiert sind, daß eine zwei gegeneinander geschaltete Dioden unterschiedlicher Wellenlängenempfindlichkeit darstellende Schichtfolge (16, 12; 15; 14′, 19, 14; 14′, 18′, 21, 18, 14; 13; 12, 16) p-i-n-i-p oder n-i-p-i-n gebildet wird, wobei die mittlere n- oder p-Schicht aus zwei durch eine zwischen ihnen ausgebildete, transparente leitfähige Schicht (19, 21) getrennte Teilschichten (14, 14′) gebildet wird, und wobei die obere p- oder n-Schicht von einer leitfähigen Beschichtung (17; 21, 18) abgedeckt ist, an die eine erste Elektrode I sowie jeweils an der transparenten, leitfähigen Schicht (19, 21) eine zweite Elektrode II und an dem leitfähigen Träger (11, 20) eine dritte Eletrode III angeschlossen ist.

2. Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente, leitfähige Schicht aus einem mittleren, transparenten Substrat (21) besteht, auf das beidseitig eine transparente, leitfähige Filmschicht (18, 18′) aufgebracht ist.

3. Farbsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Träger aus einem Metallfilm (20) besteht.

4. Farbsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige, transparente Beschichtung der Deckschicht (12) aus einem oberen, lichtdurchlässigen Substrat (21) und einer auf der Deckschicht (12) angeordneten, transparenten, leitfähigen Filmschicht (18) besteht, an die die erste Elektrode I angeschlossen ist.