DE1049987B - - Google Patents
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Description
DEUTSCHE S
Der Strahlungsnaohweis mit Hilfe von Festkörpern geht von der Tatsache aus, daß energiereiche geladene
Teilchen und auch elektromagnetische Strahlung hinreichend kleiner Wellenlängen (z. B. Licht) imstande
sind, in Festkörpern Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Man registriert entweder die bei der Rekombination
der Elektronen mit den Löchern oder mit angeregten' Zwischentermen emittierten Lichtquanten
(Szintillationszähler), oder man mißt die durch di<e Erzeugung von. Elektronen, und Löchern
hervorgerufene Leitfähigkeitsänderung des Festkörpers. Um im letzteren Falle einen merklichen
Effekt zu erhalten, ist es notwendig, dem Festkörper einen hohen Dunioelwiderstand' zu geben, während die
erzeugten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) eine möglichst, lange Lebensdauer und eine hohe Beweglichkeit habe» sollen. Diese Forderungen sind im
allgemeinem nicht gleichzeitig zu erfüllen. So ist z. B. im Diamant, der heute als Kristallzähler verwendet
wird, zwar der Widerstand sehr hoch, aber die Lebensdauer der" Elektron-Loch-Paare außerordentlich
gering.
In den Halbleitern, wie z. B. Si und Ge, kommen extrem hohe Lebensdauerni (1000 μεεο und mehr) vor.
Im homogenen Halbleitermaterial ist jedoch der spezifische Widerstand so gering, daß der Effekt der
Widerstandsänderung kautn merklich ist. Man ist daher dazu übergegangen, die Paarerzeugung innerhalb
oder im der Nähe der von beweglichen Ladungsträgern weitgehend entblößten Zone eines pn-Überganges
erfolgen zu lassen. Es ist bereits bekannt, handelsübliche Flächentransistoren (Verstärkertransistorent)
als Fototransistoren zu benutzen. Ferner ist es bekannt, magnetische Sperrschichten, bei denen
ebenfalls eine Herabsetzung der Ladungsträgerkonzentration auftritt, zu verwenden.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung zum Nachweis elektromagnetischer und korpuskularer
Strahlung, ausgestattet mit mindestens zwei Kontakten, von denen wenigstens einer sperrschichtfrei ist,
bei welcher ferner der auf die Strahlung ansprechende Bereich flächenhaft ausgedehnt ist und bei welcher die
Spamnuing so groß gewähl t ist, daß der den Halbleiterkörper durchfließende Strom ein elektrisches Feld
solcher Größe im Kristall bildet, daß die durch die Strahlung gebildeten Ladungsträger aus dem Kristaill
gezogen werden. Erfindungsgemäß liegt die Spannung zwischen1 mindestens einem Kontakt mit Stromenigewiderstand
und mindestens einem sperrfreien Kontakt.
Gegenüber dem anfangs üblichen pn-übergang hat der Kontakt mit Stromengewiderstand den Vorteil
eines weiten Einzugsgebietes für die Ladungsträger. Mit dem durch dem Kontakt mit Stromengewiderstand
in den Kristall 'einfließenden elektrischen Strom ernt-Halbleiteranordnung
zum Nachweis elektromagnetischer
und korpuskularer Strahlung
zum Nachweis elektromagnetischer
und korpuskularer Strahlung
Anmelder:
Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71
Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71
Dr. phil. Helmut Salow1 Darmstadt,
und Dipl.-Phys. Waldemar von Münch, Frankfurt/M., sind als Erfinder genannt worden
steht im Kristall ein elektrisches Feld, das die langlebenden Ladungsträger aus großer Entfernung zu den
Kontakten führt. Beim pn^Übergang können nur solche Paare registriert werden, die innerhalb einer
Diffusionslänige vom pn-übergang erzeugt werden (Größenordnung 10 bis 100μ), während das Einzugsgebiet
eines Kontaktes mit Stromengewiderstand bei langlebenden Ladungsträgern auf Grund der Feldwifkung
im die Größenordnung von Zentimetern kommt. Für den Fall, daß zum Strahlungsnachweis
ein größeres empfindliches Kristallvolumen verlangt wird, als durch das Einzugsgebiet eines Kontaktes
mit Stromengewiderstanid repräsentiert werden kann, empfiehlt es sich, mehrere Kontakte mit Stromengewiderstand
■auf den Kristallkörper in einem derartigen Abstand zu setzen, daß die Einzugsgebiete der einzelnen
Kotakte sich gerade berühren oder sich schon etwas überdecken.
Der Kontakt mit Stromengewiderstand- erfaßt also eine große Zahl von primär im Kristall gebildeten
Elektron-Loch-Paarem, gleichzeitig übt er noch eine zusätzliche stromverstärkendeWirkung auf den durch
Strahlumg hervorgerufenen Trägerstrom aus. Die Anwesenheit vor» zusätzlichen Ladungsträgern setzt
nämlich dent Widerstand im Stromengegebiet herab. Damit fließt aber aus der Spannungsquelle ein erhöhter
Strom nach. Diese Art der Stromverstärkung kann nicht unbeträchtliche Werte annehmen.
Ein Kontakt mit Stromengewiderstand kann an einem Halbleiterkristall in verschiedener Weise realisiert
werden. Eine Möglichkeit besteht darin, daß ein Kristall auf einer Stelle bis zu einem engen Steg mit
mechanischen oder chemischen Mitteln abgebaut wird-. Die Abb. la zeigt einen derartigen Kontakt mit
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Strom-enge widerst and. Der Halbleiterkörper 1 weist eine Einschnürung 2 auf. An beiden Enden des Halbleiterkörpers
sind sperrfreie Elektroden 3, 4 angebracht.
Eine andere Herstellunggmethode besteht darin, daß ein Stück der I1IaJbleiteroberiiache mit einer nichtleitenden
Oberfläche versehen oder mit einer isolierenden Folie bedeckt wird und daß in dieser nichtleitenden
Schicht ein kleines Doch vorhanden ist, das durch ein duktiles Metall ausgefüllt wird, welches mit der
Halbleiteroberfläche einen Kontakt kleiner Dimension macht. Die Abb. 1 b enthält einen Halbleiterkörper 1,
weicher mit einem Isolator 5 verbunden ist. Dieser Isolator 5 weist ein kleines. Xoch auf, welches durch
das duktile Metall 6 ausgefüllt ist. Die Elektrode 3 ist wiederum sperrfrei ausgebildet.
Die einfachste Methode, einen Kontakt mit Stromengewiderstand zu erzeugen, besteht darin, einen pn>Legierungskontakt
auf den Halbleiterkörper zu setzen und in dessen Mitte eine feine metallische Spitze einzusenken.
Die bei dem Legierungsverfahren am pnübergang auskristallisierende p- (oder n-) Schicht
wird von der metallischen Spitze durchstoßen, und es entsteht je nach dem Krümmungsradius der Metallspitze
ein genau begrenztes Stromengegebiet, durch das der Strom im. den -Kristall eintreten kann, wenn
der pn-übergang in Sperrichtung elektrisch vorgespannt wird. Eine solche Halbleiteranordniung ist
in der Abb. Ic wiedergegeben. Der pn-übergang ist mit 7 bezeichnet, während die den pn-übergang durchstoßende
Spitze das .Bezugszeichen 8 bat.
*' Der zuletzt besprochene Kontakt mit Stromengewiderstand bringt noch die In vielen Fällen erwünschte
Eigentümlichkeit mit sichj-daß-seine Kennlinie 'spannungsabhängig ist. Da die Spitze und der pn-übergang
im allgemeinen das gleicht Potential haben, wird mit zunehmender Spannung die·' Randverarmungsschiicht
des pn-Uberganges größer; Damit nimmt auch der Widerstand des Stromengegebietes vor der Metallspitze
zu. Es kann daher der Widerstand des Kontaktes :m'it Stromengewiderstarid leicht von 10 1<Ω bei sehr
kleiner Spannung (10 Volt) bis zu 100 kQ bei sehr hoher Spannung (100 Volt) gesteigert werden.
·. Es besteht die Auf gäbe,., den durch die Bestrahlung hervorgerufenen Trägerstrom neben dem aus dem Kontakt mit Stromengewiderstanid fließenden Feldstrom nachzuweisen. Dies geschieht am einfachsten durch die Kompensation des Feldstromes mit Hilfe eines'zusätzlichen Transistors in einer Brückenschaltung und durch die weitere Verstärkung des von der Bestrahlung herrührenden ;Trägerstromes durch einen Gleichstromverstärker,. der vorzugsweise aus Halbleiterverstärkerelementen ,aufgebaut werden kann.
·. Es besteht die Auf gäbe,., den durch die Bestrahlung hervorgerufenen Trägerstrom neben dem aus dem Kontakt mit Stromengewiderstanid fließenden Feldstrom nachzuweisen. Dies geschieht am einfachsten durch die Kompensation des Feldstromes mit Hilfe eines'zusätzlichen Transistors in einer Brückenschaltung und durch die weitere Verstärkung des von der Bestrahlung herrührenden ;Trägerstromes durch einen Gleichstromverstärker,. der vorzugsweise aus Halbleiterverstärkerelementen ,aufgebaut werden kann.
Die Trennung der beiden Stromanteile, des Feldstromes' und des von der. Bestrahlung herrührenden
T rager stromes, kann auch f in folgender Weise durchgeführt werden. Die auf den-Kristall treffende Strahlung'
wird periodisch unterbrochen, der Trägerstrom ist dann auch periodisch' moduliert und kann leicht
durch einen Wechselstrorrfverstärker (vorzugsweise aus Transistoren aufgebaut.) vom konstanten Feldstrom
getrennt werden. .-,;-*
Man kann nach der Erfindung eine noch weitere Steigerung der Empfindlickkeit der Kristailanordnung
erzielen, wenn man zum-- Kontakt mit Stromengewiderstand und dem Basiskontakt noch einen weiteren
pn-übergang am KristalL;hinzufügt. Dieser Kontakt soll als Emitter wirken .kfhhen, er wird zweckmäßig
durch äußere Spannüngenriso eingestellt, daß er entweder kurz' vor der Emission von Ladungsträgern
steht oder bereits emittiert. Zeitliche Änderungen des FeIdstromes beeinflussen! das Potential vor dem Emitter
und steuern damit dessen Emission. In dieser Art kann eine zusätzliche Stromverstärkung des durch die
Bestrahlung hervorgerufenen Trägerstromes bewirkt werden. Die Abb. 2 zeigt einen Halbleiterkörper 3, der
mit dem Kollektor 8, dem Emitter 9 und der ringförmigen Basis 10 versehen ist. Die Strahlung fällt
dann beispielsweise in Richtung der Pfeile 11 auf den ίο Halbleiterkörper. Zweckmäßigerweise wird die Empfindlichkeit
der Anordnung noch durch einen äußeren Widerstand verstärkt, der in der Basiszuleitung liegt
und der etwa ebenso groß wie der Widerstand am Kontakt mit Stromengewiderstand ist.
is Eine beträchtliche Heraufsetzung der Ansprechempfindlichkeit der Kristallanordnung läßt sich mach der Erfindung in folgender Art erreichen. Man betrachtet einen Halbleiterkristall, der einen Kontakt mit Stromengewiderstand als Kollektor, einen sperrfreien Kontakt als Basis und einen pn-Kontakt als Emitter in einer transistorähnlichen Anordnung enthält. Wird die" Basiszone so dünn eingestellt, daß eine Rückwirkung des Stromflusses aus dem Kontakt mit Stromengewiderstand auf das Emitterpotential auftritt, so entsteht . in an sich 'bekannter. Weise ein instabiles Bauelement, das eine negative Eingangscharakteristik' .besitzt (vgl. H. SaLow und W.v.Münch, Z. f. angew. Physik, 8 [1956], S. 114 bis 119). Diese Anordnung ist nun zum Strahlungsnachweis in folgender Art geeignet. Das soeben be-■ schriebene Halbleiterbauelement wird mit Hilfe eines äußeren Arbeitswiderstandes und einer geeigneten Emittervorspannunig in die monostabile Kipplage an einer Stelle Ä in unmittelbarer Nähe des ersten Kniokpunktes A seiner Stromspannungscharaiiteristik . auf der Emitterseite gebracht (vgl. Abb. 3). In dieser Lage genügt ein außerordentlich geringfügiges Signal, um den monostabilen Kipp auszulösen. Im CZeZe-Diagramm wird dann der in Abb. 3 gestrichelt eingezeichnete Weg durchlaufen. Schon die relativ wenigen Elektron-Loch-Paare, die ein energiereiohes α-Teilchen oder eine kleine Anzaihl von α-Teilchen oder ein anderer Strahlungsprozeß im Einzugsgebiet des Kontaktes; mit Stromengewiderstand des Halbleiterkörpers freisetzen, können zur Kippauslösung ausreichen. Die auf der Kollektorseite durch den Kippvorgang umgesetzte Energie ist beträchtlich, sie kann zur Anzeige des Primärimpulses direkt (oder nach weiterer -.Verstärkung) benutzt werden. Damit ist ein Strahlungsnachweisgerät mit einem Verstärkungsfaktor gewonnen, wie er sonst nur in Gasentladungsröhren vorkommt. Wegen der dauernden Feldwirkung im Kristallinnern, die vom Stromengegebiet ausgeht, läuft der monostabile Kippvorgang sehr schnell ab. Das Halbleiterelement kehrt in kürzester Zeit wieder in seinen Wartezustand, der durch den Arbeitspunkt^i' gekennzeichnet ist, zurück und ist für weitere Strahlungsimpulse empfindlich. In manchen Fällen erfordert die Art der Anzeige oder der einzuleitende Prozeß einen Umsprung des Arbeitspunktes nach den Arbeitspunkten A" oder A'" nach Abb. 3. Im ersten Fall geht das Halbleiterelement aus dem stabilen Bereich in den instabilen Bereich seiner Charakteristik über, es beginnt zu schwingen. Im zweiten Fall geht es aus seinem gesperrten Zustand in den leitenden. Zus.tand über. In. beiden Fällen ist aber die Energieänderung, die im Kollektorkreis durch den Übergang'freigesetzt wird:, so groß, daß damit z. B. über einen weiteren Transistor (oder Schalttransistor) eine Rückführung des Halbleiterelementes über äußere Schaltmittel iri
is Eine beträchtliche Heraufsetzung der Ansprechempfindlichkeit der Kristallanordnung läßt sich mach der Erfindung in folgender Art erreichen. Man betrachtet einen Halbleiterkristall, der einen Kontakt mit Stromengewiderstand als Kollektor, einen sperrfreien Kontakt als Basis und einen pn-Kontakt als Emitter in einer transistorähnlichen Anordnung enthält. Wird die" Basiszone so dünn eingestellt, daß eine Rückwirkung des Stromflusses aus dem Kontakt mit Stromengewiderstand auf das Emitterpotential auftritt, so entsteht . in an sich 'bekannter. Weise ein instabiles Bauelement, das eine negative Eingangscharakteristik' .besitzt (vgl. H. SaLow und W.v.Münch, Z. f. angew. Physik, 8 [1956], S. 114 bis 119). Diese Anordnung ist nun zum Strahlungsnachweis in folgender Art geeignet. Das soeben be-■ schriebene Halbleiterbauelement wird mit Hilfe eines äußeren Arbeitswiderstandes und einer geeigneten Emittervorspannunig in die monostabile Kipplage an einer Stelle Ä in unmittelbarer Nähe des ersten Kniokpunktes A seiner Stromspannungscharaiiteristik . auf der Emitterseite gebracht (vgl. Abb. 3). In dieser Lage genügt ein außerordentlich geringfügiges Signal, um den monostabilen Kipp auszulösen. Im CZeZe-Diagramm wird dann der in Abb. 3 gestrichelt eingezeichnete Weg durchlaufen. Schon die relativ wenigen Elektron-Loch-Paare, die ein energiereiohes α-Teilchen oder eine kleine Anzaihl von α-Teilchen oder ein anderer Strahlungsprozeß im Einzugsgebiet des Kontaktes; mit Stromengewiderstand des Halbleiterkörpers freisetzen, können zur Kippauslösung ausreichen. Die auf der Kollektorseite durch den Kippvorgang umgesetzte Energie ist beträchtlich, sie kann zur Anzeige des Primärimpulses direkt (oder nach weiterer -.Verstärkung) benutzt werden. Damit ist ein Strahlungsnachweisgerät mit einem Verstärkungsfaktor gewonnen, wie er sonst nur in Gasentladungsröhren vorkommt. Wegen der dauernden Feldwirkung im Kristallinnern, die vom Stromengegebiet ausgeht, läuft der monostabile Kippvorgang sehr schnell ab. Das Halbleiterelement kehrt in kürzester Zeit wieder in seinen Wartezustand, der durch den Arbeitspunkt^i' gekennzeichnet ist, zurück und ist für weitere Strahlungsimpulse empfindlich. In manchen Fällen erfordert die Art der Anzeige oder der einzuleitende Prozeß einen Umsprung des Arbeitspunktes nach den Arbeitspunkten A" oder A'" nach Abb. 3. Im ersten Fall geht das Halbleiterelement aus dem stabilen Bereich in den instabilen Bereich seiner Charakteristik über, es beginnt zu schwingen. Im zweiten Fall geht es aus seinem gesperrten Zustand in den leitenden. Zus.tand über. In. beiden Fällen ist aber die Energieänderung, die im Kollektorkreis durch den Übergang'freigesetzt wird:, so groß, daß damit z. B. über einen weiteren Transistor (oder Schalttransistor) eine Rückführung des Halbleiterelementes über äußere Schaltmittel iri
Claims (14)
1. Halbleiteranordnunig zum Nachweis elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung, ausgestattet
mit mindestens zwei Kontakten, von denen wenigstens einer sperrschichtfrei ist, bei
welcher ferner der auf die Strahlung ansprechende Bereich flächenh.aft ausgedehnt ist und bei welcher
die Spannung so groß gewählt ist, daß der den Halbleiter durchfließende Strom ein elektrisches
Feld solcher Größe im Kristall bildet, daß die durch die Strahlung gebildeten Ladungsträger aus
dem Kristall gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen mindestens
einem Kontakt mit Stromengewiderstand und mindestens einem sperrfreien Kontakt liegt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nebeneinanderliegende
Kontakte mit Stromengewiderstand auf den Kristallkörper in einem· derartigen Abstand
gesetzt sind, daß die Einzugsgebiete der einzelnen Kontakte sich gerade berühren oder sich bereits
etwas überdecken.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromengewiderstand
durch eine Einschnürung des~Querschnittes des Halbleiterkörpers mit sperrfreiem Kontakt gebildet
wird.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromengewiderstand
durch eine dünne isolierende Zwischenschicht an einer Stelle der Oberfläche des Halbleiterkörpers
gebildet wird, die ein feines Loch enthält, durch das ein plastisches metallisch leitendes Material
mit der Halbleiteroberfläche Kontakt bildet.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geikennzeichnet, daß der Stromengewid'erstand
durch einen auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgesetzten pn-übergang vom Legierungstyp
gebildet wird, in dem eine feine metallische Spitze eingesenkt ist und der in Sperrichtung gegen den Halbleiterkörper vorgespannt
ist.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
neben dem Kontakt mit Stromengewiderstand und der sperrfreien Elektrode einen weiteren pn-übergang aufweist, der bei geeigneter
Potentialsteuerung als Emitter wirken kann.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
zwischen Emitter und Kontakt mit Stromengewiderstand im Halbleiterkörper so Idein ist,
daß in an sich bekannter Weise ein Halbleiterelement mit zum Teil negativer Emittercharakteristik
entsteht.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die FIalbleiteranordnung
sich in der Arbeitsstellung (A') befindet und durch die Strahlung ein einmaliger Kippvorgang ausgelöst
wird, der wieder zur Stellung (A') zurückführt (Abb. 3).
9. Verfahren, zum BetriebeinerAnordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet,
daß die nachzuweisende Strahlung periodisch unterbrochen wird.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter-
und (oder) Kollektorelektrode strahlungsdurchlässig ausgebildet sind und (oder) daß der Emitter
ringförmig geformt ist.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Basiszuleitung ein äußerer Widerstand liegt, der
von gleicher Größenordnung ist wie der Stromengewiderstand.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone
vor der Strahlung geschützt ist und einen hohen Widerstand aufweist (Fahnenbasis).
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Emitterzuleitung ein äußerer Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten liegt.
14. Halbleiteranordnung zum Nachweis von Neutronen nach Anspruch 1 oder folgenden, da-
durch gekennzeichnet, daß für den Fall des Neutronennachweises die strahlungsempfindlichen
Oberflächen des Kristallkörpers mit einer dünnen Borschioht bedeckt sind und (oder) daß in die
Emitter- und (oder) Kollektorzone Bor oder ein anderes Element, welches bei einer Reaktion mit
Neutronen geladene Teilchen emittiert, eingebaut ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Fatentschrift Nr. 826 324;
Elektronik (1955), S. 189 bis 191.
Deutsche Fatentschrift Nr. 826 324;
Elektronik (1955), S. 189 bis 191.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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DED0024380 | 1956-11-28 |
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DENDAT1049987D Pending DE1049987B (de) | 1956-11-28 |
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DE (1) | DE1049987B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1141386B (de) * | 1961-04-26 | 1962-12-20 | Siemens Ag | Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung |
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- DE DENDAT1049987D patent/DE1049987B/de active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1141386B (de) * | 1961-04-26 | 1962-12-20 | Siemens Ag | Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung |
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