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Elektro-optische Halbleitervorrichtung
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Vorrichtungenmoduliert werden können.
Bei einer elektro-optischen Halbleitervorrichtung mit wenigstens einer Strahlungsquelle und wenigstens einem elektrisch und/oder optisch mit dieser gekoppelten photoleitenden Körper besteht nach der Erfindung wenigstens eine Strahlungsquelle aus einer p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle, deren Strahlungsintensität durch den Einbau strahlungsloser Rekombinationszentren, wenigstens über einen Teil des Strombereiches, in superlinearem Verhältnis zur Stromstärke durch die Strahlungsquelle zunimmt.
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Anlegen eines Spannungsunterschiedes an diesen Übergang, meist in der Vorwärtsrichtung, die durch Injektion aus einer Zone herrührenden Ladungsträger, Elektronen und/oder Löcher auf ihrem Weg zur andern Zone oder nach Eintreffen in der andern Zone mit dort vorhandenen Ladungsträgern entgegengesetzter Art, entweder über Band-Band-Übergänge oder über vorhandene Strahlungszentren, wieder kombinieren, wobei die bei dieser Rekombination ausgelöste Energie zu einem wesentlichen Teil in Strahlung der gewünschten Wellenlänge bzw. Wellenlängen umgesetzt wird. Obwohl die Rekombination auch über Band- Band-Übergänge unmittelbar erfolgen kann, ist es in vielen Fällen erwünscht, in der Umgebung des p-n- Überganges Strahlungszentren einzubauen.
Unter einem strahlungslosen Rekombinationszentrum, in der Literatur häufig auch als"Killer"-Zen- trum bezeichnet, wird hier in üblicher Weise ein Zentrum mit einem grösseren Einfangsquerschnitt verstanden, über welches die Rekombination strahlungslos, d. h. wenigstens ohne Erzeugung der für die elektro-optische Vorrichtung effektiven Strahlungswellenlänge bzw. Strahlungswellenlängen, meist unter Umsetzung in Wärmeenergie des Kristallgitter erfolgt.
So haben sich unter anderem diejenigen strahlungslosen Rekombinationszentren als geeignet erwiesen,
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das Zentrum für die vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzter Art. Solche strahlungslosen Rekombinationszentren werden in Halbleitermaterialien bekanntlich von Kristallfehlern oder bestimmten Verunreinigungen, meist Übergangselementen, wie z. B. Eisen oder Kobalt, gebildet.
Bei einer in einer elektro-optischen Halbleitervorrichtung nach der Erfindung verwendbaren p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle tritt die superlineare Abhängigkeit der Strahlungsintensität mit der Stromstärke durch die Strahlungsquelle in einem Stromstärkebereich auf, der einer Anzahl injizierter Ladungsträger entspricht, bei der die strahlungslosen Rekombinationszentren gesättigt werden.
Nachdem bei nied- riger Stromstärke die Rekombination wegen des grossen Produktes der Einfangsmöglichkeit und der Konzentration strahlungsloser Energiepegel im wesentlichen nur über die strahlungslosenRekombinationspegelererfolgt ist, wird bei weiterer Zunahme der Stromstärke und einer dementsprechenden proportionalen Zunahme der Anzahl injizierter Ladungsträger ein Sättigungsbereich dieser Pegel erzielt, in dem mit zunehmender Sättigung eine stets grössere Anzahl der injizierten Ladungsträger über die strahlenden Übergänge, z. B. Strahlungszentren, zu rekombinieren beginnt, so dass die Strahlungsintensität sehrsc1mell, u. zw. in superlinearem Verhältnis zur Stromstärke zunimmt.
Ist einmal Sättigung erreicht, so nimmt die Strahlungsintensität in wesentlich geringerem Mass, z. B. wieder praktisch in proportionalem Verhältnis zur Stromstärke zu. Der Mechanismus der Injektion und Rekombination von Ladungsträgern bei einer solchen p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle macht es möglich, wie es sich auch in der Praxis bestätigte, in einfacher Weise in einem bestimmten Strombereich einen hohen Superlinearitätsexponenten n, z. B. von 20, zu erzielen.
Wegen des grossen Einfangsquerschnittes strahlungsloser Rekombinationszentren ist es möglich, durch die Wahl einer hinreichenden Konzentration dieser Zentren stets zu erreichen, dass die Rekombination zunächst über die strahlungslosen Zentren und bei höherer Stromstärke über strahlende Übergänge erfolgt. Dies ist bei einer p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle mit eingebauten Strahlungszentren und eingebauten strahlungslosen Rekombinationszentren in einfacher Weise dadurch verwirklichbar, dass dafür gesorgt wird, dass das-Produkt der eingebauten Konzentration an strahlungslosen Rekombinationszentren und des Einfangsquerschnittes dieser Zentren viel grösser ist als das entsprechende Produkt der Strahlungszentren.
Bei Verwendung eines Band-Band-Überganges als strahlender Übergang kann, wenn das erwähnte Produkt der strahlungslosen Zentren gross gewählt wird, gleichfalls erreicht werden, dass die Wahrscheinlichkeit einer strahlenden Band-Band-Rekombination bei geringer Injektion klein ist gegenüber der strahlungslosen Rekombination.
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Die anzuwendende Konzentration an strahlungslosen Rekombinationszentren kann im Prinzip zwischen weiten Grenzen gewählt werden, insbesondere zwischen 1012 und 1016 pro cm3. Sie kann z. B. lOpro cm . betragen. In einem bestimmten Falle ist die anzuwendende Konzentration unter anderem von der Art des
Zentrums, insbesondere von dessen Einfangsquerschnitt, von der Wahrscheinlichkeit des verwendeten strah- lenden Überganges, und von der gewünschten Lage des Strombereiches abhängig, in der das superlineare Gebiet auftritt, da bei grösserer Konzentration an strahlungslosen Rekombinationszentren die Sättigung erst bei höherer Stromdichte erreicht wird.
DieHalbleitermaterialien für die p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle und den photoleitenden Körper und ihre Aktivierung werden, wie bei einer elektro-optischen Vorrichtung üblich, meist derart gewählt, dass wenigstens ein in der Vorrichtung vorhandener photoleitender Körper für die von wenigstens einer in der Vorrichtung vorhandenen Strahlungsquelle erzeugte Strahlungswellenlänge bzw. Strahlungswelleniän- gen photoempfindlich ist. Dazu kann z. B. eine Infrarotstrahlung oder sichtbare Strahlung erzeugende p-nStrahlungsquelle mit einem infrarot bzw. im betreffenden sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlichen Photoleiter kombiniert werden.
Besonders günstige Ergebnisse werden mit einer p-n-Strahlungsquelle mit einem Halbleiterkörper aus Galliumphosphid in Kombination mit einem photoempfindlichen Körper aus CdS oder CdSe erzielt.
Die Erfindung wird an Hand einiger Figuren und eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Fig. 1 zeigt beispielsweise schematisch im Schnitt eine Ausführungsform einer elektro-optischen Vorrichtung nach der Erfindung. Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Strahlungsintensität und der Stromstärke der bei der elektro-optischen Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten p-n-Rekom- binationsstrahlungsquelle. Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen dem Leitwert G des photoempfindlichen Körpers und dem Strom durch die Strahlungsquelle, gemessen an einer elektrooptischen Vorrichtung nach Fig. 1.
Bei der in Fig. 1 dargestellten elektro-optischen Halbleitervorrichtung nach der Erfindung befinden sich innerhalb der Hülle, die aus dem innen polierten Aluminiumbehälter 1 und der aus Bakelit bestehenden Halterungsplatte 2 besteht, die p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle und der photoleitende Körper.
Der photoleitende Körper 3 besteht z. B. aus einer gepressten und gesinterten CdS-Scheibe, die mit etwa 10-4 Atomen Cu pro Molekül CdS und einer praktisch gleichen Konzentration an Gallium aktiviert ist.
Die Scheibe 3 ist auf ihrer Oberseite in der für Photowiderstände üblichen Weise mit zwei kammförmig ineinander greifenden dünnen aufgedampften Elektrodenschichten aus Gold versehen, die elektrisch gut leitend über eine Silberpasteschicht 5 mit dem kupfernen Zuführungsleiter 4 bzw. über eine Silberpasteschicht 7 mit dem kupfernen Zuführungsleiter 6 verbunden sind. Die Elektrodenschichten selbst sind deutlichkeitshalber nicht dargestellt.
Der photoleitende Körper 3 liegt an der Wand eines Glasbehälters 8 an, der im übrigen mit einem Harz 9, z. B."Araldit", vollgegossen ist. Die Zuführungsleiter 4 und 6 des Photowiderstandes sind über das Harz 9 und die Halterungsplatte 2 nach aussen geführt.
Auf dem Glasbehälter 8 befindet sich die p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle, die aus einem Galliumphosphidkristall in Form einer praktisch kreisförmigen Scheibe 10 mit einem Durchmesser von etwa 3 mm und einer Stärke von etwa 0, 2 mm besteht. Der p-n-Übergang 11 zwischen der p-leitenden Zone 12 und der n-leitenden Zone 13 erstreckt sich quer durch die Scheibe 10. Mit der p-leitenden Zone 12 ist über
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löcher (Überschuss Gallium) verwendbar sind, eine Konzentration von etwa 1016 pro cm3 GaP an strahlungslosen Rekombinationszentren, z. B. von Eisen herrührend, und eine Konzentration von etwa 2 x 1016 pro cmS GaP an Strahlungszentren, z. B. Zink.
Ein solcher Galliumphosphidkristall kann dadurch erzielt werden, dass die Galliumbestandteile in einer Menge von 10 g, verunreinigt mit Eisen, und die Phosphorbestandteile in einer Menge von 3 g in einem geschlossenen Quarzrohr in einem Doppelofen erhitzt werden zwecks Erzielung einer Lösung von Phosphor in Gallium. Dazu wird das eine Ende des Quarzrohres, welches das Gallium enthält, auf etwa 1220 C und das andere Ende, in dem sich der Phosphor befindet, auf etwa 4300C erhitzt. Bei langsamer Abkühlung der entstandenen Gallium-Phosphor-Lösung, in der ein Überschuss an Gallium vorhanden ist, kristallisieren aus der Lösung Galliumphosphidkristalle in einer Galliumphase.
Das Ende mit dem Phosphor wurde darauf entfernt und am Stück des Quarzrohres mit dem
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Reaktionsprodukt wurde anschliessend ein zweites Rohrstück, welches 200 mg Zink enthielt, nach Ent- lüftung dicht angeschmolzen. Das Ende mit dem Reaktionsprodukt wurde dann etwa eine halbe Stunde auf etwa 12200C und das Stück mit dem Zink auf 500 C erhitzt. Dabei geht ein Teil des Zinks in dem dann wieder geschmolzenen Reaktionsprodukt in Lösung. Nach Abkühlung wurde das Reaktionsprodukt in einem
Platintiegel in einer verdünnten Salzsäurelösung auf etwa 1000C erhitzt, um die abgetrennten Gallium- phosphidkristalle aus der Galliumphase zu isolieren.
Aus den so entstandenen Kristallen, bei denen sich bei spektrochemischer Analyse ergab, dass sie etwa 106 Atome Eisen und etwa 2. 1016 Atome Zink pro cm3
Galliumphosphid enthalten, wurde ein Kristall ausgesucht, bei dem ein p-n-Übergang quer über den Kri- stall lief.
Nach dem Anbringen eines aus einer Legierung von 50 Indium und 50 % Gallium bestehenden Kon- taktes auf beiden Seiten des p-n-Überganges wurde zwischen den Kontakten eine Gleichspannung so ange- legt, dass der positive Pol mit der p-Zone verbunden war. Dabei wurde bei hinreichend grosser Stromstär- ke, z. B. 10 mA, in der Umgebung des p-n-Überganges eine orangerote Strahlung emittiert. Darauf wurde bei Zimmertemperatur die Strahlungsintensität als Funktion der den Kontakten zugeführten Stromstärke gemessen.
In Fig. 2 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt, wobei die Stromstärke I in Ampere horizontal auf logarithmischer Skala und die Strahlungsintensität S in willkürlichen Einheiten vertikal auf logarithmischer Skala aufgetragen sind. Die Strahlungsoberfläche betrug etwa 1 mm2. Die Strahlungsintensität ergab sich erst von messbarer Grösse bei einer Stromstärke von etwa 4 mA. In einem Bereich von 4 mA bis etwa 6 mA nimmt die Strahlungsintensität in stark superlinearem Verhältnis mit einem Superlinearitätsexponenten n von etwa 20 zu und bei weiterer Erhöhung der Stromstärke nimmt die Strahlungsintensität weiterhin praktisch in linearem Verhältnis zur Stromstärke zu.
Im Bereich von 0 bis 4 mA erfolgt die Rekombination praktisch ausschliesslich über strahlungslose Rekombinationszentren ; im superlinearen Bereich von 4 mA bis etwa 6 mA werden die strahlungslosen Rekombinationszentren gesättigt, so dass der Anteil der strahlenden Rekombination über die eingebrachten Zink-Zentren schnell zunimmt. Zink verursacht einen Akzeptorpegel auf etwa 0, 4 eV des Valenzbandes. Dieser Pegel ist im Bereich bei Zimmertemperatur mit Elektronen besetzt. Die strahlende Rekombination über diese Energiepegel kann dadurch erklärt weraun, dass die in den Bereich injizierten Löcher mit Elektronen aus dem Zinkpegel rekombinieren.
Dazu werden Elektronen aus dem Leitungsband unter Abgabe eines Energiequantums von etwa 1, 8 eV zugeführt, was einer gemessenen Wellenlänge von etwa 7000 bei maximaler Emission entspricht.
Der Wert der Stromstärke, bei dem der superlineare Zweig der Kennlinie auftritt, fällt mit der Sättigung der strahlungslosen Rekombinationszentren praktisch zusammen. Diese Sättigung tritt bei einer Stromstärke Is = a. C/r auf, wobei a eine Proportionalitätskonstante, C die Konzentration an strahlungslosen Rekombinationszentren und T die Rekombinationszeit dieser Zentren darstellt.
Im erwähnten Falle eines strahlungslosen Rekombinationszentrums mit einem grösseren Einfangsquerschnitt für die injizierten Ladungsträger als für die Ladungsträger entgegengesetzter Art gilt für diese Rekombinationszeit T = 1/kn, wobei. k die Einfangswahrscheinlichkeit des Zentrums für einen Ladungsträger entgegengesetzter Art nach Einfang eines injizierten Ladungsträgers und n die für Zuführung zum Rekombinationszentrum verfügbare Konzentration an vorhandenen Ladungsträgern entgegengesetzter Art darstellt. Der Stromstärkebereich, in dem das superlineare Verhalten auftritt, kann demnach durch Herabsetzung bzw. Erhöhung der Konzentration C oder der Anzahl freier Ladungsträger n auf eine niedrigere Stromstärke bzw. höhere Stromstärke verschoben werden.
Nach dem Erreichen der Sättigung, d. h. über etwa 10 mA, verläuft die Strahlungsintensität praktisch in linearem Verhältnis zur Stromstärke, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Der Galliumphosphidkristall wurde darauf in der in Fig. 1 dargestellten elektro-optischen Vorrichtung mit optischer Kopplung zwischen dem photoempfindlichen Körper 3 und der Strahlungsquelle 10 über die Glaszwischenwand 8 angebracht. Zwischen den Zuführungsleitern 4 und 6 wurde der elektrische Leitwert Gin Ohm-1 als Funktion der der Strahlungsquelle 10 über die Zuführungsleiter 15 und 17 zugeführten Stromstärke gemessen.
In Fig. 3 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt, wobei die Stromstärke I durch die Strahlungsquelle in A horizontal auf logarithmischer Skala und die Leitung G in Ohm-1 vertikal, gleichfalls in logarithmischer Skala, aufgetragen sind. Wie es aus dieser Figur ersichtlich ist, nimmt der Leitwert G vom besonders niedrigen Wert von etwa 2. 10-9 Ohm-1 im Bereich von 3 bis 6, 5 mA bereits auf etwa 10-4 Ohm-1 zu, während G bei einem Wen von etwa 20 mA bereits auf 10-3 Ohm-1 zugenommen hat.
Eine solche stark ansteigende Kennlinie einer elektro-optischen Vorrichtung mit optischer Kopplung zwischen dem photoempfindlichen Körper und der Strahlungsquelle ist vorteilhaft verwendbar, unter an-
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derem als empfindlicher, mit kleinen Stromänderungen steuerbarer elektrischer Schalter, oder als elektrischer Verstärker mit grosser differentieller Verstärkung.
Eine elektro-optische Vorrichtung nach der Erfindung ist nicht nur als elektrischer Modulator bzw.
Verstärker, sondern auch vorteilhaft dadurch als Strahlungsmodulator verwendbar, dass an Stelle einer optischen Kopplung eine elektrische Kopplung, z. B. eine elektrische Reihenschaltung, zwischen dem photoleitenden Körper und der p-n-Strahlungsquelle verwendet wird. Durch Zuführung eines kleineren Strahlungssignals zum Photoleiter ist es dann möglich, eine grössere Änderung der Strahlungsenergie der p-n-Strahlungsquelle zu verwirklichen.
Dadurch, dass bei der als elektrischer Verstärker bzw. als Strahlungsverstärker ausgebildeten elektrooptischen Vorrichtung nach der Erfindung gleichzeitig eine elektrische Rückkopplung bzw. eine optische Rückkopplung vorgesehen wird, kann man zuverlässig wirkende bistabile elektrische bzw. optische Schaltelemente verwirklichen, die mit kleinen Stromänderungen bzw. kleinen Strahlungsenergieänderungen geschaltet werden können.
Schliesslich wird noch bemerkt, dass die Erfindung naturgemäss nicht auf das gegebene Ausführungbeispiel beschränkt ist, sondern im Rahmen der Erfindung für einen Fachmann noch viele Abarten möglich sind. So können andere für elektro-optische Vorrichtungen übliche Anordnungen verwendet werden, und z. B. mehr als eine solche Strahlungsquelle mit einem oder mehreren photoleitenden Körpern kombiniert werden. Der p-n-Übergang in der p-n-Strahlungsquelle kann in an sich bekannter Weise als plötzlicher Übergang oder als allmählicher Übergang über eine hochohmige oder eigenleitende Zwischenschicht verlaufen. Weitere Halbleitermaterialien wie z. B. G rlI1al1ium, Aluminiumphosphid oder Siliziumkarbid, lassen sich in der Strahlungsquelle mit für die betreffende Strahlung empfindlichen Photoleitern verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektro-optischeHalbleitervorrichtung mit wenigstens einer Strahlungsquelle und wenigstens einem elektrisch und/oder optisch mit dieser gekoppelten photoleitenden Körper, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsquelle aus einer p-n-Rekombinationsstrahlungsquelle besteht, deren Strahlungintensität durch den Einbau strahlungsloser Rekombinationszentren, wenigstens über einen Teil des Strombereiches, in superlinearem Verhältnis zur Stromstärke durch die Strahlungsquelle zunimmt.