Heft t0 E. MOLLWO und C1~. SOLBRIG: Zur Abbildung yon ion-l~berg/ingen uiid Randschichten 397 ~961 (Jg. 48)

BURTON U. J . O . CROOKALL: Nature (London] 184, 89 ( 1 9 5 9 ) . - (19] Low, K., u. K. EDVARSO~: Nature (London] 183, t104 (1959). - - [~0] ILIa, D. J., u. Y.I . MOKALEV: Atomnaya Energiya 2, 163 ( 1 9 5 7 ) . - ~9i] P~XRSO~, P. B.: US-Report ~{-7~20 ( 1 9 5 5 ) . - E2~] MmDL~TO~-, L . J . : Nature [London] lSl, 1300 (1958). - - [28] PEND~ETO~, R. C., u. R. L. UHLER: Nature ~London] 188, 707 (1960). - - ~g] LANGHAM, W. H., u. E. C. ANDERSON: Health Phys.

2, 30 ( 1 9 5 9 ) . - [2<5] RUSSEL, R .S . : Nature (London] 182, 834 ( 1 9 5 8 ) . - [96] COLLANDER, R.: Plant Physiol. 16, 691 (t941).

Gb't~ingen, Agrikulturchemisches und BodelU~und- liches Institut der Universit~t, und Berlin-Dahlem, Bio- logische Bundesanstalt ii~r Land- und Forstwirtscha/t

Eingegangen am 2. November 1960

Zur Abbi ldung von pn-Ubergi ingen und Randschichten Von ]~. MOLLWO und CH. SOLBRIC., Erlangen

Die B e s t i m m u n g der Lage , A u s d e h n u n g IIIId F o r m y o n p n -ObergSmgen oder R a u m l a d u n g s r a i i d s c h i c h t e n auf t e c h n i s c h he rges te l l t en Ha lb l e i t e rd ioden sowie au f EinkristalleI1 m i t p- ui id n - D o t i e r u n g k a n n ffir m a n c h e Frages te l lu i igen in te ressa i i t sein. Bei der e n t s c h e i d e n d e n B e d e u t u n g d e r R a i i d sch i ch t en ffir die P h y s i k u n d Teehi i ik der I-Ialbleiter i s t es ferner wfiii- s chenswer t , b e i m U n t e r r i c h t e inen einfachei i Ve r such z u m Nachwe i s u n d zur roheii Vermess i ing dieser Erscheini i i ig zu bes i t zen . W i t h a b e n zur L6sui ig dieser Aufgabe die schoii yon G.C. LICI~TENB~RG t777 a n g e w a n d t e Me thode der S t aub- niederschlXge z u m Nachwe i s e lek t r i scher Fe lde r beiifi tzt . Unse re A n o r d n u n g is t in Fig. I skizziert . Aus e i nem Ze r s tgube r m i t me ta l l i s che r Aus t r i t t sd t i s e wird du rch Prel31uft e in m6g- l i chs t f e ink6rn iges G e m i s c h voii Schwefel- l ind Meiiiiige-t?ul- ver in eii ien Glaszy l inder (Durchm.esser e twa t6 cm, L~nge e twa 15 cm) geblasen . Die u n t e r e O f f n u n g des Zyli i iders is t verschlosse i i d u t c h eine P la t t e , die e inen E lek t rode i iha l t e r z u m AnschluB des Gle ichr ich te rs an eiiie Spai i i iungsquel le t r~gt , die obere d u r c h e in luftdurchlS.ssiges, s t a u b d i c h t e s Tuch . B r i n g t m a n eiii Gle ichr ich te re lemei i t m i t n a c h obeii frei- l iegeiider R a n d s c h i c h t in den Zyliiider, so l iefer t das zerstSmbte Pu lver , solaiige ke ine S pan i i ung a m Gle ichr ich ter liegt, e inen p r a k t i s c h gleichmSA3igei1 Niedersch lag fiber die g e s a m t e F15.che. W i r d dagegen wS~hreiid der Z e r s t ~ u b u n g eine S p a n n u n g yon m e h r als e twa t 0 V in S pe r r i ch t ung an den Gle ichr ich ter gelegt, so sch l~g t s ich das P u l v e r g e m i s c h bis zu e i n e m Abs ta i id y o n e in igen Mi l l imete rn be iderse i t s der Sper r sch ich t g e t r e n n t nach Schwefel (gelb) uiid Mennige (rot) nieder . Dabe i wird die Lage der Spe r r sch i ch t du rch die t3egrenzungsl i i i ie der s aube r ge- t r enn te i i N iede r sch lagsgeb ie t e des Schwefels au f der Seite pos i t iven , der Menii ige au f der Seite nega t ive i i Po t en t i a l s ge- gebeii. E ine geiiauere, u i i ter UmstD~nden mik roskop i sche B e o b a c h t u n g insbesondere bei A n w e i i d u n g hOherer Spaiiiiuii- [ . . . . ] - . . . . ] gen zeigt nun , dab die be iden I ++GOVI Niedersch lagsgeb ie te du rch eiiie I,,_...~20 II p r a k t i s c h n iedersch lags f re ie I ' Zone v o n e i n a n d e r g e t r e n n t siiid.

I n Fig. 2 s ind a A u f n a h m e i i ~-0,02 00,02~nz wiedergegebei i , die y o n der- L . . . . . L . . . . . I se lben Stelle eiiies t e c h n i s c h e n S i -Gle ichr ich te rs ~p-Ieiteiides Si m i t ei i i legierter Au-S b -E l ek - ! t rode*)~ IIach t3est/iiibuiig bei +-IOOV 3 v e r s e h i e d e n e n Spe r r span i iun - Ben e rha l t en wnrden . Darf iber I L1",4 i r

be f inden s ich drei K u r v e n , in -0,I -0~ O,l 0,2ram denen der Ver lau i der Span- 1 f lung als Fui ik t io i i des Or tes ffir die d a r u n t e r abgebi lde te i i Gebie te a u f g e t r a g e n ist. Der L~tngeiimal3stab i s t ftir beide Dars te l lunge i i derselbe. Gemes - sen w u r d e e l ek t ros t a t i s ch fiber eiiie feiiie Po ten t i a l so i ide (Wolf- r amsp i tze ) in Verbiiilduiig m i t e i nem Mik roman ipu l a t o r . M a n s i eh t :

1. I m Gebie t der d u n k l e n s t aub f r e i en Zone zwisehen d e m gelbeii Niedersch lagsgeb ie t l inks uiid d e m ro t en rech t s f~illt die Span i i ung U als Fu i ik t i on des Or tes kont i i iu ier l ich v o m H S c h s t w e r t au f p r a k t i s c h k a u m meBbare ~ r e r t e ab.

*) Wit dmlkeii den Herren Dipl.-Phys. K .H . GINSBACH, Dr. W. SCHULTZ und Dr. J. STUKE (AEG) herzlieh ftir die IJberlas- sung der Gleiehrichterelemente und freundliche Auskiinfte.

Naturwissenschaften 196t

Fil/er/uch

Fldchen- l I diode I ,., , u I i - - - . . , - -

~ It""l '~-~+ ~__~ ~-PreBluft p-Si l iz /um~ Dn-Ubemenv ~ .......

\ .~__ " \~- iZi o a ~\\\\~\\\\\\\~cnwe/e's-

\MO ~\\\\\~\~\\\%,N Oemlkch

Fig. 1. Schelnatische Darstel- lung der Best~iubungsvorrieh- tung und einer technisehen

Si-Flfichendiode

170•• 2~176

I -0,1 i 0,7 0,Bronx

500-

q00-

300-

200

100

I -0,l

- 7OO V

- - 600

0,7 0,2 mum

Fig. 2. Oben: Potentialverlauf im Bereich der Randschicht einer teehnisehen Si-Diode (p-Silizium mit Au-Sb-Elektrode) bei Sperrbelastung init 20, 150 und 600 V. Elektrostatische Sondenmessung auf der Oberfl~iche. Uiiten: Photographisehe Abbildung der Staubniederschl~ige yon Schwefel~(gelb, links) und Mennige-(rot, rechts) Pulver auf der DiodenoberfI~iehe fiir die F~lle, deren Potentialverlauf im oberen Teilbild dargestellt ist. Gleicher Lfiugenmagstab in beiden Teilbildern. Der Nullpunkt im oberei1 Teilbild befindet sieh dort, wo der etwas tiberhAtngende Rand der Goldelektrode in senkreehter

Aufsieht (unteres Bild) erscheint

2. Die 13reite dieses Gebie tes be t r~g t bei 100 V $ p a n n u n g in Spe r r i ch tung e twa 0,1 m m u n d wS~chst in gu t e r N ~ h e r u n g p ropor t iona l V ~ .

Diese Ergebn i s se w u r d e n an zahl re iehen P r o b e n gefui iden.

27a

398 K u r z e Or ig ina lmi t t e i l ungen Die Natur- wissenschaften

Deutung. Die ffir die W i r k u n g s w e i s e der Kr is ta l lg le ich- r i ch te r e n t s c h e i d e n d e V e r a r m u l i g s r a n d s c h i c h t 1) e l i t s teh t dl irch E lek t ro l i en i ibe rgang h e l m I ( o n t a k t zweier gee igne te r verschie- delier e lektrol i ischer Ha lb le i t e r I ulid 2. I n ihr s t e h t e iner pos i t iven R a u m l a d u n g (z.B. ionis ier te Dona to ren) e ine gleich groBe nega t i ve (z.13. , , ioli isierte" Akzeptoren) gegelifiber. Ih re rXumliche A u s d e h n u n g i s t du reh die Potent ia ld i f fere l iz U zwi- schen den beideli Leiterl i ulid die Rau l i i l adungsd i ch t e ~)z bzw. 02 gegeben. M a c h t m a n die ve r e i n f achende Vorausse t zung , dab die R a u m l a d u n g s d i c h t e bis zli b e s t i m m t e n Abs t~nde l i

i .

n p s/ark doh'er/ schw~zch do/ierr

Fig. 3. Sehematischer Verlauf des elektrisehen Feldes im Gebiet der Randsehieht. Die Dichte der Linien entspricht der GrSge des Feldes. Gezeiehnet sind 2)-Liuien ftir der~ Fall ~ = 1. Fiir den Fall s > 1 bilden die 2)-Linieu an der Grenzfl~iche im Medium eineu

gr6geren Winkel mit der Flgchennormalen als im Augenraum

y o n der BerfihrungsflS~che k o n s t a n t u n d dar i iber h i n a u s gleich Nul l ist, so erg ib t die S u m m e dieser Abs tgmde die R a n d s c h i c h t - dieke d. I s t Ierlier f f l= ~Donator+ = nn bzw. ~2 = nAkzeptor-- = #p, wobei n n bzw. pp die Elektroliel i- bzw. De fek t e l ek t ronenkon - zent ra t io l i im IIeutraleli n- oder p - H a l b l e i t e r v o l u m e n silid, so wird

1 / o ~ o ( \ 1 1

1) SCIIOTTKY, W.; Z. Physik 113, 367 (t939); llS, 539 (1942).

I I Inerhalb dieser Bre i te is t die Lei t f / thigkei t gegent iber der- jel i igen im V o l u m e n u n t e r U m s t f i n d e n u m mehre re Gr6Ben- o rd l iungen he rabgese tz t . Zwischen den 5~ul3eren R ~ n d e r n der V e r a r m u n g s s c h i c h t he r r s ch t ohne K o n t a k t s p a n l i u n g und ohne ange leg te ~ul3ere S p a n n u n g die Di f fus ionsspa l inung U0=

k T In n (up ~ Elekt ro l ienkonzel i t ra t io l i im p-Halble i te r ) 2). g

Sie h a t fiie Gr6Benordnung einiger Zehn te l Volt. Bei den h e u t i g e n technischel i Gleichrichter l i kaliii m a n zus/i tzl ich m e h r e r e h u n d e r t Volt Spe r r span l iung alilegen. Der Spanl iungs- abfal l erfolgt p r a k t i s c h ausschl ieBlich fiber der Ra l idsch ich t . Ih re ger inge Bre i te bed ing t in der R a n d s c h i c h t eine hohe e lekt r i sche Feldst~trke, deren Ver lauf d u t c h die R a u m l a d u n g s - ve r t e i l ung b e s t i m m t wird, w/~hrend in den be iden Lei ter l i die Fe lds t~rke vergle ichsweise v e r s c h w i n d e n d gerilig ist. W i c h t i g Ifir unse r e Ve r suchsa l i o rdnung is t j edoch der Fe ldve r l au f fiber der Oberfl/~che. E r i s t in Fig. 3 s c h e m a t i s c h dargeste l t t .

Mall s ieht , dab an der Oberflg~che sowohl fiber der Ral id- sch ich t als auch fiber den azaschliel3enden Le i t e rgeb ie ten h o h e Feldst/~rken he r r s chen (Dichte der elektr ischel i Feldlinieli). Sie liegeli im erstel i Fal le parallel , im zweitel i j edoch s e n k r e c h t zu r Oberfl~iche. Die ill der L u f t n iede r s inkenden , geladeneli S taubte i lche l i we rden also je nach Vorze ichen nach l inks oder r ech t s aus d e m Gebie t fiber der Ra l idsch ich t he rausge t r i eben . Das Ober f l~chengebie t fiber der Ra l id sch i ch t b le ib t p r a k t i s c h n iederschlagsf re i . Bei wachse l ider S p e r r s p a n n u n g n i m m t die Bre i te der Ra l idsch ich t , d .h . der R a u m l a d u n g s z o n e groBgn Widers ta l ids , zu. I n d e m in Fig. 2 wiedergegebenen Fal l bes i t z t die R a u m l a d u l i g n u r in d e m p-Iei tendel i Si l iz ium be- t r~ch t l i che Ausdehl iu l ig . I n der Goldelekt rode is t die K o n z e n - t r a t i on der bewegl ichen Ladu l igs t r~ger dafiir zu grog.

Bei Able i tu l ig der F o r m e l (1) is t i m Gebie t der Ra l id sch i ch t Ko l i s t anz der R a u m l a d u n g s d i c h t e vo rausgese t z t . Die gemes- selie Po te l i t i a lve r te i lung zeigt abgesehen yore Gebiet d i rek t vor der E lek t rode e twa den danl i zu verlangel idel i parabol i - scheli Verlauf . Die g e m a c h t e V o r a u s s e t z u n g sche in t also als N~heru l ig zlil~ssig zu sein. Tats / tchl ich f inder m a n auch ex-

pe r imen te l l die R a n d s c h i c h t d i c k e IIahezu p ropor t iona l VU. E ine Berechn l ing der Defekte lek t ro l ienkonzel i t ra t io l i n a c h (I) l iefert p p ~ 101~cm -3 in g u t e r lXlbereinst immung m i t d e m Ergebn i s v o n Ha l le f fek t smessunge l i .

Erlangen, Ins t i tu t /i~r angewandte P h y s i k an der Universitdt

EingegangerI am 28. Dezember t960

2) Ausftihrliche Darstellung in SPE~KE, E.: Elektronische Halb- leiter. Berlin-G6ttingen-Heidelberg: Springer 1956.

Kurze Originalmitteilungen Ffir die Kurzen Or ig ina lmi t t e i lu n g en s ind ausschl ieBl ich die Verfasser v e r a n t w o r t l i c h

Ein neuer Versuch zar sichtbaren Darstellung magnetischer Feldlinien fiir Meflzwecke

Von den ve r sch i edenen M6gl ichke i ten 1) zur r~uml i chen S i c h t b a r m a c h u l i g m a g n e t i s c h e r Fe ld l in ien wird ffir stXrkere Fe lder ( H > 8 - t 0 t A/m) l ind gr6Bere M a g n e t e n m i t Vorte i l das sog. P u n k t k a t h o d e l i r o h r ve rwende t . M . v . ARDENNE 2) besch re ib t e in derar t iges R o h r m i t e iner O x y d - S p i t z k a t h o d e , deren D u r c h m e s s e r 0,1 m m betr~gt . Bei e iner m a g n e t i s c h e n Feldst~rke~H yon e twa 8" 101 A / m wird e in D u r c h m e s s e r De der G a s e n t l a d u n g y o n e twa I m m erreicht . Dies e n t s p r i c h t bei e iner G e s a m t l g n g e L e der E n t l a d u n g yon 200 m m e i n e m Verh~l tn i s D e :L e ~ 1 : 200. t~LAHA 3) er re ich t m i t e iner i m Pri l izip ghnl ichel i Ai iordl iung bei Fe lds t~ rken v o n d e r Gr6gen- o r d n u n g 8 - 104 A / m n u t e in VerhXltnis D e : L e = 1:20. Letz te - r e s i s t na t i i r l ich Eir viele Mel3zwecke unzure i chend . Der Verslich, ffir m a g n e t i s c h e Feldst / i rkel i yon n u r (2 ,4 . . . 3,2)" t0 t A / m ein P u n k t k a t h o d e n r o h r m i t e i n e m D e : L e = I :200 n a e h M. v. ARDENNE ZU bauen , ff ihrte IIicht z u m gewf insch ten Erfolg. W e d e r m i t e iner K a l t k a t h o d e noch m i t e iner Oxyd- k a t h o d e ge lang es, e in Durchmesse r -L i ingen -Verhg l tn i s besser als 1:25 zu e rha l ten .

B e k a n n t l i c h i s t der R a d i u s der W e n d e l b a h n , die der E lek t ro l i ens t r ah l i m Magne t fe ld durchl/~uft, du r ch folgende Bez i ehung gegeben :

r e = K . ~ "s in~;

(U = B e s c h l e u n i g u n g s s p a n n u n g der Elektrol ien, H = m a- gne t i sche Fe lds t~rke , ~ = Winke l des E l e k t r o n e n s t r a h l e s m i t d e m Magnet fe ld , K = K o n s t a n t e ) .

Der E l e k t r o n e n s t r a h l e ines F a d e n s t r a h l r o h r e s ffir n iedr ige Fe lds tgrke l i H mul3 desha lb m6gl i chs t e inen kleineli Win k e l m i t den Feld l in ien b i lden u n d darf iber hi l iaus m i t eilier niedri- gen S p a n n u n g U besch leun ig t sein. Das i m Io lgenden be- schr iebene F a d e n s t r a h l r o h r wird den obigen F o r d e r u n g e n wei t - gehend gerecht : Es ben6 t i g t e ine re la t iv n iedr ige S p a n n u n g U, v e r b u n d e n m i t e i nem k le inen Winke l c~ (durch Ausb lendung) . Die S t r o m d i c h t e des E l e k t r o n e n s t r a h l e s betrg.gt bei d iesem Rohr , m i t den in Fig. t gegebenen Wer t en , e twa 45 m A / c m 2.

Sie i s t groB genug , urn, wie Fig. 2 zeigt, e inen p h o t o g e n e n E l e k t r o n e n s t r a h l bei e i n e m Gasd ruck yon e twa 10 .2 Tor t i m R o h r zu e rha l ten .

Fig. I zeigt den m e c h a n i s c h e n A u f b a u u n d die e lektr ische Scha l tung . Der op t ima le Gasd ruck is t expe r imen te l l e rmi t - te l t : Das R o h r wurde im Bet r ieb in e i n e m Magnet fe ld w~hrend des E v a k u i e r e n s be im gf ins t igs ten, d .h . k le ins ten E lek t ronen - s t r a h l d u r c h m e s s e r (2%) bei g r6g te r Schg.rfe abgeschmolzen . Der re la t iv e infache m e c h a n i s c h e A u f b a u stel l t keilie beson- deren F o r d e r u n g e n an die Geomet r i e der I~a thode u n d an die J u s t i e r u n g d e r s e l b e n . D u r c h d i e A i i o d e a l w i r d der E l ek t ronen - s t r ah l zuli / tchst besch leun ig t u n d ausgeb lende t . Der Win k e l c< is t desha lb v o m D u r c h m e s s e r der B o h r u n g in a 1 abh~tngig, welcher in d i e sem Fal l t m m betr~tgt. Dieser D u r c h m e s s e r k a n n j edoeh ohne Schadel i au f 0,5 m m ve r r inge r t werden. Anode a 2 d ien t lediglich als StrahlauffSmger.