DE2347639A1 - METHOD OF MANUFACTURING A DETECTOR - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, ^Q. SEP. 1973*SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, ^ Q. SEP. 1973 *

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50Berlin and Munich Werner-von-Siemens-Str. 50

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Verfahren zum Herstellen eines Detektors.Method of making a detector.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Detektors für die Gamma-Spektroskopie mit einem Halbleiterkörper aus Germanium, bei dem in zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des Halbleiterkörpers Lithium eindiffundiert und anschließend gedriftet wird.The invention relates to a method of manufacture a detector for gamma spectroscopy with a semiconductor body made of germanium, in which two opposite one another Lithium is diffused into surfaces of the semiconductor body and then drifted.

Die Kompensation von Störstellen in einem Halbleiterkörper ist bekannt (Pell im "Journal of Applied Physics", Band 31, 1960, Seite 291)· Bei der Herstellung von lithiumgedrifteten Germanium-Detektoren, auch kurz Ge(Li)-Detektoren genannt, wird Lithium in p-leitendes Germanium eindiffundiert und anschließend durch Anlegen eines elektrischen Feldes in das Kristallinnere eingedriftet. Während dieses Driftvorganges bilden Li-Ionen mit einer Gallium-Grunddotierung des Halbleiterkörpers Ga~ und Li⁺-Paare und bewirken dadurch die Kompensation der Grunddotierung. Man erhält somit zwei einander gegenüberliegende Bereiche mit entgegengesetzter Leitfähigkeit, die durch eine eigenleitende Zone getrennt sind, eine sogenannte pin-Struktur. Kühlt man diese Halbleiteranordnung mit dem Aufbau einer Diode zur Verringerung des Leckstromes auf 77 K ab, so kann sie als eine Art Festkörper-Ionisationskammer zur Registrierung bzw. zur Spektroskopie ionisierender Strahlung benutzt werden.The compensation of imperfections in a semiconductor body is known (Pell in the "Journal of Applied Physics", Volume 31, 1960, page 291). When producing lithium-drifted germanium detectors, also called Ge (Li) detectors for short, lithium is used in p-type germanium diffused in and then drifted into the interior of the crystal by applying an electric field. During this drift process, Li ions with a gallium basic doping of the semiconductor body form Ga ~ and Li ⁺ pairs and thereby compensate for the basic doping. This gives two opposing areas with opposite conductivity, which are separated by an intrinsic zone, a so-called pin structure. If this semiconductor arrangement with the construction of a diode to reduce the leakage current is cooled to 77 K, it can be used as a kind of solid-state ionization chamber for recording or for spectroscopy of ionizing radiation.

Während das Energieauflösungsvermögen von Detektoren mit einem Natrium-Jodid-Kristall bei Gammaenergien bis zu etwa 1 MeV bei etwa Ί°/ο liegt, läßt sich mit Germanium-Detektoren ein Energie auf lösungsvermögen von weniger als 0,2$ erreichen.While the energy resolution of detectors with a sodium iodide crystal for gamma energies up to about 1 MeV is around Ί ° / ο , with germanium detectors an energy resolution of less than $ 0.2 can be achieved.

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Wegen dieses hohen Energieauflösungsvermögens sind die lithiumgedrifteten G-ermaniumdetektoren "bereits in vielen Bereichen der Gammaspektroskopie eingeführt.Because of this high energy resolution, the lithium-drifted G-ermanium detectors "are already in many areas introduced the gamma spectroscopy.

Germaniumdetektoren mit verhältnismäßig kleinem Volumen haben aber eine geringe Nachweiswahrscheinlichkeit, die man auch durch größere Meßzeiten nicht kompensieren kann. Die Meßzeiten sind nämlich oft dadurch begrenzt, daß die zu messenden Substanzen häufig kleine Zerfallzeiten haben. Es ergeben sich deshalb bei Verwendung kleiner Detektoren zu kleine Impulsraten. Außerdem sind lange Meßzeiten, beispielsweise an einem Beschleuniger, teuer. Eine höhere NachweisWahrscheinlichkeit in dem der Gesamtenergie des Gammaquants entsprechenden Peak des Spektrums erhält man mit einem großen eigenleitenden Volumen des Detektors. Ein großes Volumen ergibt sich aus einer großen Einstrahlfläche und einer tiefen eigenleitenden Zone. Die Größe der Fläche ist aber vom Ausgangsmaterial her begrenzt. Eine Vergrößerung der Nachweiswahrscheinlichkeit ließe sich deshalb nur durch die Vergrößerung der Absorptionsdicke im Detektor erreichen. Da die Drifttiefe aber proportional ist zur Wurzel aus der Driftzeit, so läßt sich eine große Drifttiefe nur mit großer Driftzeit erreichen. Ein großes Volumen durch eine einfache planare Drift herzustellen, ist deshalb sehr langwierig.Germanium detectors with a relatively small volume, however, have a low detection probability, which is also the case cannot compensate for longer measuring times. The measuring times are often limited by the fact that the Substances often have short disintegration times. If small detectors are used, the result is that the pulse rates are too low. In addition, long measurement times, for example on an accelerator, are expensive. A higher probability of detection in the peak of the spectrum corresponding to the total energy of the gamma quantum one obtains with a large intrinsic Volume of the detector. A large volume results from a large irradiation area and a deep intrinsic one Zone. However, the size of the area is limited by the raw material. An increase in the detection probability could therefore only be achieved by increasing the absorption thickness in the detector. Since the drift depth is proportional is the root of the drift time, a great drift depth can only be achieved with a long drift time. A Producing a large volume by means of a simple planar drift is therefore very tedious.

Es ist auch bereits bekannt, eine radiale Drift anzuwenden ("Can.J.Phys.", Band 43 (1965), Seite 1173). Bei diesem Verfahren erhält man verhältnismäßig kurze Driftzeiten. Bei diesem von der Mantelfläche eines zylindrischen Halbleiterkörpers her gedrifteten Volumen erhält man zwar eine Vergrößerung des empfindlichen Volumens einfach durch einen entsprechend langen Zylinder. Dieser hat aber zugleich den Nachteil, daß auch die elektrische Kapazität entsprechend groß wird. Man 'erhält somit ein größeres Verstärkerrauschen und ein entsprechend vermindertes Energieauflösungsvermögen des Detektor-Verstärkersystems. Außerdem bedeutet eine kleine Drifttiefe im allgemeinen auch ein schlechtes Verhältnis von empfindlichem zu unempfindlichem Volumen. Damit vergrößert sich die Wahr-It is also already known to use a radial drift ("Can.J.Phys.", Volume 43 (1965), page 1173). In this procedure relatively short drift times are obtained. With this from the outer surface of a cylindrical semiconductor body If the volume has drifted forward, an enlargement of the sensitive volume is obtained simply by means of a correspondingly long one Cylinder. At the same time, however, this has the disadvantage that the electrical capacitance is correspondingly large. You get thus a greater amplifier noise and a correspondingly reduced energy resolution of the detector-amplifier system. In addition, a small drift depth generally also means a bad ratio of sensitive to insensitive volume. This increases the probability

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scheinlichkeit, daß im unempfindlichen "Volumen absorbierte, Compton-gedfcreute Gammaquanten für die Totalabsorption verloren gehen.probability that absorbed in the insensitive "volume, Compton-crossed gamma quanta lost for total absorption walk.

Man kann außerdem einen zylinderförmigen Halbleiterkörper zugleich von seiner Mantelfläche und von einer seiner Grundflächen driften. Mit dieser koaxialen Drift erhält man aber auch eine verhältnismäßig große Kapazität.You can also use a cylindrical semiconductor body at the same time drift from its lateral surface and from one of its base surfaces. With this coaxial drift, however, one obtains also a relatively large capacity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Detektor mit großem eigenleitenden Volumen in einem Germaniumhalbleiterkörper durch einen Driftprozeß mit möglichst kurzer Driftzeit zu schaffen. Solche Halbleiterdioden mit eigenleitendem Volumen für die Gammaspektroskopie sollen außerdem ein homogenes Feld haben. Es wurde nämlich erkannt, daß das inhomogene Feld von koaxial gedrifteten Detektoren für die S.ammeleigenschaften nachteilig ist. Darüber hinaus soll ein solcher Detektor eine möglichst kleine Kapazität haben.The invention is based on the object of providing a detector with a large intrinsic volume in a germanium semiconductor body to create by a drift process with the shortest possible drift time. Such semiconductor diodes with intrinsic Volumes for gamma spectroscopy should also have a homogeneous field. Namely, it was recognized that the inhomogeneous Field of coaxially drifted detectors for the collection properties is disadvantageous. In addition, such a detector should have the smallest possible capacitance.

Diese Aufgabe wurde zum Teil bereits gelöst durch das sogenannte Zweiseiten-Driftverfahren mit einer Wechselspannung, wie es Büker in "Halbleiterdetektoren", Springer-Verlag, 1971 auf Seite 137 beschrieben hat. Bei diesem Verfahren läßt man von zwei gegenüberliegenden Seiten eines Germaniumblockes Lithium in das p-Germanium hineindiffundieren und anschliessend driften. Damit entsteht ein n⁺-p-p⁺-System, das sich aus zwei mit der Rückseite zusammenliegenden Dioden ergibt. Zum Driften wird an den Kristall ein Wechselfeld so angelegt, daß bei jeder Halbwelle der Wechselspannung jeweils eine Seite des Kristalls in Sperrichtung vorgespannt ist und von dieser Seite läuft der Driftprozeß ab. Sobald sich die beiden kompensierten Bereiche in der Mitte des Kristalls treffen, wird ein η-Kontakt des Systems entfernt und durch einen p-Kontakt ersetzt. Der nach Beendigung der Wechselspannungs-Zweiseitendrift in der Mitte des Kristalls verbleibende unkompensierte p-leitende Bereich wird anschließend durch eine Gleichspannungsdrift in bekannter Weise kompensiert. Nach diesem Verfahren hergestellte Detektoren haben ein homogenesThis object has already been partially achieved by the so-called two-sided drift method with an alternating voltage, as described by Büker in "Semiconductor Detectors", Springer-Verlag, 1971 on page 137. In this process, lithium is allowed to diffuse into the p-germanium from two opposite sides of a germanium block and then drift. This creates an n ⁺ -pp ⁺ system, which is made up of two diodes placed on the back. For drifting, an alternating field is applied to the crystal in such a way that with each half-wave of the alternating voltage, one side of the crystal is biased in the reverse direction and the drift process takes place from this side. As soon as the two compensated areas meet in the middle of the crystal, an η-contact of the system is removed and replaced by a p-contact. The uncompensated p-conducting area remaining in the center of the crystal after the end of the alternating voltage two-sided drift is then compensated by a direct voltage drift in a known manner. Detectors manufactured using this method are homogeneous

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elektrisches Feld und eine kleine Kapazität. Die Driftzeit ist jedoch größer als beim Verfahren der koaxialen Drift.electric field and a small capacitance. However, the drift time is greater than with the coaxial drift method.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die Driftzeit wesentlich verkürzt werden kann, wenn die gesamte Drift mit einer Gleichspannung durchgeführt wird, und die Erfindung besteht somit darin, daß die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, deren anderer Pol an den p-leitenden Teil des Halbleiterkörpers angelegt wird. Mit diesem Verfahren erhält man den fertigen Detektor mit einer entsprechend kleineren Driftzeit.The invention is based on the knowledge that the drift time can be significantly shortened if the entire drift is carried out with a DC voltage, and the invention is thus that the two opposite surfaces of the semiconductor body with a pole one DC voltage source are connected, the other pole of which is applied to the p-conductive part of the semiconductor body. With With this method, the finished detector is obtained with a correspondingly smaller drift time.

Da bei diesem Verfahren die Driftzonen gegeneinander wachsen, ist der Halbleiterkörper bereits dann kompensiert, wenn jeweils nur die halbe Dicke des Halbleiterkörpers gedriftet ist. Da die planar gedriftete i-Zonendicke mit der Wurzel aus der Zeit wächst, so braucht man bei doppelseitiger Drift für die völlige Kompensation des Halbleiterkörpers nicht wesentlich mehr als den vierten Teil der Driftzeit.Since the drift zones grow against each other in this process, the semiconductor body is already compensated when only half the thickness of the semiconductor body has drifted is. Since the planar drifted i-zone thickness increases with the root of the time, with double-sided drift one needs for the complete compensation of the semiconductor body not significantly more than the fourth part of the drift time.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig.1 der Aufbau eines Halbleiterkörpers mit der Schaltung des Stromkreises und in deren Fig.2 bis 6 jeweils ein Verfahrensschritt veranschaulicht sind.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which FIG. 1 shows the structure of a semiconductor body with the circuit of the circuit and in each of which FIGS. 2 to 6 illustrate a process step.

Nach Fig.1 ist ein Halbleiterkörper 2, der vorzugsweise aus p-dotiertem Germanium bestehen kann, als Grundkörper für einen Strahlungsdetektor für die Gammaspektroskopie vorgesehen. Dieser rechteckige oder auch quaderförmige Grundkörper 2 hat eine Grundfläche 4 und eine Deckfläche 6 und seine Höhe h soll vorzugsweise kleiner als die Ausdehnung der Grund- bzw. Deckfläche des Körpers sein. Die Höhe h ist somit kleiner als die in der Figur nicht näher bezeichnete Diagonale der Grundfläche 4 und insbesondere kleiner als die Hälfte der Kantenlänge a des Grundkörpers 2. Durch Diffusion von n-dotierendem Material, vorzugsweise Lithium, in die Grund- und Deckfläche' 4 bzw. 6 sind zwei diesen vorgelagerte n-leitende Zonen 11 und 12 gebildet, aus denen Lithium-Ionen in den p-leitendenAccording to Figure 1 is a semiconductor body 2, which is preferably made of p-doped germanium can exist as a base body for a Radiation detector intended for gamma spectroscopy. This rectangular or cuboid base body 2 has a base area 4 and a top area 6 and its height h should preferably be smaller than the extent of the base or Be the top surface of the body. The height h is thus smaller than the diagonal of the base area, which is not shown in more detail in the figure 4 and in particular less than half the edge length a of the base body 2. By diffusion of n-doping Material, preferably lithium, in the base and top surface 4 and 6 are two n-conductive zones 11 upstream of these and 12 made up of lithium ions in the p-type

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Grundkörper 2 eingedriftet werden. Zu diesem Zweck sind die Grund- und Deckflache 4 "bzw. 6 des flachen Grundkörpers 2 jeweils mit dem negativen Pol einer GIeichspannungsqueHe 8 verbunden, deren Gleichspannung TJ-, als Driftspannung für den Grundkörper 2 vorgesehen ist. Der positive Pol der Gleichspannungsquelle 8 ist mit einer in der Mitte zwischen den beiden diffundierten Zonen 11 und 12 angeordneten Elektrode 10 verbunden, die vorteilhaft den gesamten Grundkörper 2 umgeben kann. Durch die doppelseitige Drift entsteht vor den beiden Zonen 11 und 12 durch Kompensation der Grunddotierung jeweils ein eigenleitender Bereich des Grundkörpers 2, der in den Grundkörper 2 hinein ausgedehnt wird, bis der gesamte Grundkörper zwischen den Zonen 11 und 12 kompensiert ist.Base body 2 are drifted in. For this purpose, the Base and top surface 4 ″ and 6 of the flat base body 2, respectively with the negative pole of a DC voltage source 8 connected, whose DC voltage TJ-, as a drift voltage for the Base body 2 is provided. The positive pole of the DC voltage source 8 is connected to an electrode 10 arranged in the middle between the two diffused zones 11 and 12, which can advantageously surround the entire base body 2. The double-sided drift arises in front of the two Zones 11 and 12 each have an intrinsic area of the base body 2 by compensating for the basic doping, which is in the Base body 2 is expanded into it until the entire base body between the zones 11 and 12 is compensated.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Detektors für die Gammaspektroskopie nach der Erfindung bestehen nach den Fig.2 bis 5 darin, daß der nach Fig.1 zunächst durch Diffusion von Lithium mit den Bereichen 11 und 12 versehene Grundkörper 2 durch Anlegen der Driftspannung U, zwischen den diffundierenden Oberflächen und etwa der Mitte des p-leitenden Grundmaterials jeweils eine den beiden Zonen 11 und 12 vorgelagerte eigenleitende Zone 14 bzw. 16 des Grundkörpers 2 geschaffen wird.The process steps for producing a detector for gamma spectroscopy according to the invention consist of the 2 to 5 in that the according to FIG. 1 initially by diffusion Base body provided with the regions 11 and 12 by lithium 2 by applying the drift voltage U, between the diffusing surfaces and about the middle of the p-conducting Base material each have an intrinsic conductive zone 14 or 16 of the base body upstream of the two zones 11 and 12 2 is created.

Diese in Pig.3 mit i (intrinsic) bezeichneten Driftzonen 14 und 16 wachsen von beiden diffundierten Zonen 11 und 12 aus gegeneinander. Es wird jedoch im allgemeinen nicht eine ebene Übergangsfläche zwischen den i-Bereichen 14 und 16 und dem noch nicht kompensierten p-leitenden Grundmaterial entstehen, weil die Kristalltemperatur in der Mitte im allgemeinen etwas höher sein wird. Bei einem rechteckigen Kristall wird ohne besondere Maßnahmen auch die Wärmeabführung an den Kanten besser sein als in der Mitte des Kristalls und in diesem Bereich höherer Temperatur ist die Beweglichkeit der Lithiumionen entsprechend größer. Es entstehen deshalb i-p-Übergänge mit einer etwa parabolischen Gestalt. Wenn der p-leitende Mittelstreifen nach Fig.4 in der Mitte zwischen den Driftfronten der i-leitenden Bereiche nur noch wenige MillimeterThese drift zones 14 designated in Pig. 3 with i (intrinsic) and 16 grow towards one another from both diffused zones 11 and 12. However, it will generally not be a flat one Transition surface between the i-areas 14 and 16 and the not yet compensated p-conducting base material arise, because the crystal temperature in the center will generally be slightly higher. In the case of a rectangular crystal, Without special measures, the heat dissipation at the edges can also be better than in the middle of the crystal and in it In the higher temperature range, the mobility of the lithium ions is correspondingly greater. Therefore i-p transitions arise with an approximately parabolic shape. If the p-conducting median strip according to Fig. 4 is in the middle between the drift fronts the i-conductive areas only a few millimeters

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beträgt, kann, eine der diffundierten Schichten, beispielsweise der Bereich 11, entfernt und durch einen p-leitenden Kontakt 18 ersetzt werden, der beispielsweise durch Einlegieren von p-leitendem Dotierungsstoff, beispielsweise Gallium-Indium Gain, hergestellt werden kann.is, can, one of the diffused layers, for example the area 11, removed and replaced by a p-conductive contact 18, for example by alloying of p-type dopant, for example gallium-indium gain, can be produced.

Während der weiteren Drift wird dann nur noch die dem eigenleitenden Bereich 16 vorgelagerte Driftfront in das verbleibende p-leitende Material vorgeschoben und damit diese p-leitende Schicht von der Mitte her aufgelöst, wie es in Fig.4 dargestellt ist, in der nur noch ein Teil 20 des p- -leitenden Bereiches am Rand des Halbleiterkörpers verbleibt. During the further drift, only the intrinsic drift is then used Area 16 upstream drift front advanced into the remaining p-conductive material and thus this p-conductive layer resolved from the center, as shown in Fig. 4, in which only part 20 of the p- -conductive area remains at the edge of the semiconductor body.

Der Endzustand ist erreicht, wenn auch der p-leitende Randbereich 20 durch Ausbreitung der eigenleitenden Zone 16 kompensiert ist, wie es in Fig.5 dargestellt ist. In diesem doppelseitig gedrifteten Grundkörper bleibt die p-leitende Elektrode 18 und die n-leitende Zone 12 mit einem dazwischen liegenden i-leitenden Mittelbereich.The final state is reached when the p-conducting edge region 20 is also compensated by the expansion of the intrinsic zone 16 is as shown in Fig.5. The p-type remains in this base body, which has drifted on both sides Electrode 18 and the n-conductive zone 12 with an i-conductive central region in between.

Im Ausführungsbeispiel wurde das Verfahren zum Herstellen eines Detektors für die Gammaspektroskopie mit einem gedrifteten Halbleiterkörper aus Germanium an Hand eines rechteck- oder quaderförmigen Kristalls beschrieben. Das Verfahren kann aber auch mit einem zylinderförmigen Kristallkörper ausgeführt werden, dessen Grund- und Deckfläche durch Diffusion mit η-leitenden Zonen versehen werden, die dann durch doppelseitige Drift eine Kompensation des p-leitenden Mittelbereichs herbeiführen. In dieser Ausführungsform kann der Halbleiterkörper, dessen Höhe vorzugsweise geringer als der Radius des Zylinders sein kann, in der Mitte mit einer ringförmigen Elektrode versehen werden, die dann mit dem Plus- -Pol der Gleichspannungsquelle verbunden wird, wie es in Fig.1 in Verbindung mit dem quaderförmigen Kristall 2 dargestellt worden ist.In the exemplary embodiment, the method for producing a detector for gamma spectroscopy with a drifted Semiconductor body made of germanium described on the basis of a rectangular or cuboid crystal. The procedure but can also be designed with a cylindrical crystal body, whose base and top surface by diffusion be provided with η-conductive zones, which then compensate for the p-conductive central area through double-sided drift bring about. In this embodiment, the semiconductor body, the height of which is preferably less than Radius of the cylinder can be provided in the middle with a ring-shaped electrode, which is then marked with the plus -Pol of the DC voltage source is connected, as shown in Figure 1 in connection with the cuboid crystal 2 has been.

4 Patentansprüche
6 Figuren4 claims
6 figures

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Claims (4)

VPA - 7 PatentansprücheVPA - 7 claims 1.^Verfahren zum Herstellen eines Detektors für die Gammaspektroskopie mit einem Halbleiterkörper aus Germanium, bei dem in zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers Lithium eindiffundiert und anschließend gedriftet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oberflächen (11,12) des Halbleiterkörpers (2) mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle (8.) verbunden werden und der andere Pol an den p-leitenden Teil des Halbleiterkörpers (2) angelegt wird (Fig.1).1. ^ Procedure for making a detector for gamma spectroscopy with a semiconductor body made of germanium, in which in two opposing surfaces of the semiconductor body diffused in lithium and then is drifted, characterized in that the two surfaces (11, 12) of the semiconductor body (2) be connected to one pole of a DC voltage source (8th) and the other pole to the p-conducting part of the Semiconductor body (2) is applied (Fig.1). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Driftzeit das einer der beiden Oberflächen (11,12) vorgelagerte diffundierte Gebiet (11) entfernt und die so entstehende neue Oberfläche mit einem p-leitenden Kontakt (18) versehen wird (Fig.4).2. The method according to claim 1, characterized in that after a predetermined drift time one of the two Surfaces (11,12) upstream diffused area (11) removed and the resulting new surface with a p-conductive contact (18) is provided (Fig. 4). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitende Kontakt (18) durch Einlegieren von Gallium- -Indium hergestellt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the p-conducting contact (18) is produced by alloying gallium indium. 4. Mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellter Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung jeder der beiden Oberflächen (4,6) wenigstens doppelt so groß ist wie die Höhe (h) des Halbleiterkörpers (2) in der Richtung quer zur Ebene der Oberflächen (4,6).4. With the method according to the invention produced detector, characterized in that the extent of each of the two surfaces (4, 6) is at least twice as large as the height (h) of the semiconductor body (2) in the direction transverse to the plane of the surfaces (4,6). 5098U/09615098U / 0961 LeerseiteBlank page