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Anordnung zum Koppeln zweier elektrischer Stromkreise
Vierschichten-Kippdioden vom pnpn-Typkönnen bekanntlich auf Grund ihrer thyratronartigen Kennlinie mit besonderem Vorteil zur Erzeugung von Schalt- oder Kippvorgängen verwendet werden. Dieser thyratronartigen Charakteristik einer pnpn-Schalt-bzw. Kippdiode entspricht es, dass zur Auslösung des Schalt- oder Kippvorganges eine Art" Zündung" der Schaltdiode erforderlich ist, die den Durchbruch des in Sperrichtung gepolten pn- Überganges der Anordnung bewirkt. Entsprechendes gilt für komplizierte, d. h. mehr als vier Zonen von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyp aufweisende Anordnungen dieser Art.
Der Durchbruch einer solchen Schalt- oder Kippdiode kann z. B. durch eine Art Steuerelektrode bewirkt werden, die am bzw. an den in Sperrichtung gepolten pn-Übergängen wirksam ist, indem sie entweder zur Zündung Ladungsträger in der Nähe des pn-Übergangs injiziert oder diesen kapazitiv steuert. Im zweiten Falle ist die Anordnung erfahrungsgemäss nicht besonders empfindlich, weil durch die Wirkung des Dielektrikums, das zwischen dem Halbleiter und der Steuerelektrode angeordnet ist, ein beträchtlicher Anteil der zur Steuerung aufgewendeten Energie verlorengeht, selbst in dem Fall, in dem das Dielektrikum aus einem ferroelektrischen Material, beispielsweise Bariumtitanat, besteht. Aber auch für die Erzielung kurzer Schaltzeiten erweist sich eine solche Anordnung als gänzlich ungeeignet.
Unter Verwendung einer injizierenden Steuerelektrode würde man zwar eine höhere Empfindlichkeit der Steuerung erreichen. Da jedoch bei einer solchen Anordnung notwendig der steuernde Primärkreis mit dem zu schaltenden Sekundärkreis über den Halbleiter galvanisch gekoppelt ist, geht der Gewinn weitgehend wieder verloren. Vor allem macht sich diese galvanische Kopplung bereits bei verhältnismässig einfachen Schaltungsanordnungen, z. B. in einer Brückenschaltung mit solchen Kippdioden, störend bemerkbar. Um sie zu beseitigen, war man bisher zu komplizierten und kostspieligen schalttechnischen Massnahmen gezwungen, die die Gestehungskosten der Anordnung beträchtlich erhöhten.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Koppeln zweier elektrischer Stromkreise, bei der eine dem ersten Stromkreis angehörende Halbleitervorrichtung durch Strahlungsabgabe den Betriebszustand einer dem zweiten Stromkreis angehörenden, im gleichen Gehäuse angeordneten zweiten Halbleiteranordnung beeinflusst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass als strahlungsabgebende Halbleitervorrichtung eine Emissionsdiode und als empfangende Halbleitervorrichtung eine mindestens 4 Zonen unterschiedlichen Leitungstyps aufweisende Halbleiterkippdiode verwendet ist. Die Erregung dieser Anordnung erfolgt somit, indem über das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement ein elektrischer Strom der erforderlichen Stärke geschickt wird.
Da das emittierende Halbleiterbauelement zusammen mit dem den Schaltvorgang vermittelnden Halbleiterbauelement, beispielsweise vom pnpn-Typ, in einem geschlossenen, besonders strahlungsundurchlässigen Gehäuse montiert, ist wird gleichzeitig für eine definierte optische Kopplung zwischen den beiden Halbleiterbauelementen sowie für maximale Empfindlich- keit vor allem dann gesorgt, wenn man die beiden Halbleiterbauelemente möglichst nahe beieinander angeordnet hat.
Die Verwendung eines Gehäuses mit strahlungsundurchlässigen Wänden ist nicht erforderlich, wenn das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement bevorzugt eine Strahlung emittiert, die im gewöhnli-
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chen Tageslicht bzw. im Lichte der üblichen künstlichen Lichtquellen nur wenig vorkommt und die Empfindlichkeit der zu steuernden Schalt-oder Kippdiode für andere Strahlung durch an sich bekannte Mittel stark reduziert ist. Halbleiterbauelemente, welche zur Erzeugung der Strahlung bei einer Anordnung gemäss der Erfindung verwendet werden können, sind vor allem Laserdioden oder nicht kohärente Strahlung liefernde Lumineszenzdioden, an deren pn-Übergang die erforderliche Strahlung erzeugt wird.
Lumineszenzdioden sind bekanntlich Halbleiter-Emissionsdioden, welche auf Grund der Rekombination von Elektronen und Defektelektronen an ihrem pn-Übergang zur Emission von Licht angeregt werden. Eine Steigerung solcher Lumineszenzdioden stellt eine Laserdiode dar, bei welcher durch zusätzliche Resonanzwirkung kohärente Strahlung entsteht. Solche Emissionsdioden geben bekanntlich bei Polung in Flussrichtung Lichtquanten ab, die bei entsprechender Abstimmung der Intensität dieser Strahlung auf die Empfindlichkeit der pnpn-Kippdiode diese schalten. Der Vorteil solcher Emissionsdioden ist vor allem darin zu suchen, dass sie praktisch trägheitslos arbeiten. Infolgedessen ist die Zahl der je Zeiteinheit emittierten Photonen dem durch die Diode fliessenden Strom mit grosser Genauigkeit proportional, so dass es z.
B. möglich ist die pnpn-Schaltdiode im Rhytmus einer Frequenz zu schalten, die in der Grössenordnung einiger MHz liegt.
In Fig. 1 ist die Skizze eines Beispiels einer Anordnung gemäss der Erfindung im Längsschnitt dargestellt. Das aus einer Grundplatte 1 und einem glockenförmigen Deckel 7 bestehende Gehäuse ist an vier Stellen durch Leitungen unterbrochen. Wenn das Gehäuse, wie im Beispielsfalle, aus Metall besteht, so sind mindestens drei dieser Durchführungen gegen das Gehäuse isoliert hindurchgeführt. Im Beispielsfalle sind durch die Grundplatte 1 mittels zweier Durchführungen 2 und 3 zwei Zuleitungen 4 und 5 isoliert hindurchgeführt. Zwischen die oberen Enden der Zuleitungen 4 und 5 ist eine pnpn-Schalt- oder Kippdiode 6 gelegt. Durch die glockenförmige Haube 7 des Gehäuses sind mittels zweier weiterer Durchführungen 8 und 9 zwei weitere Zuleitungen 10 und 11 isoliert hindurchgeführt.
Zwischen die unteren Enden dieser Zuleitungen 10 und 11 ist die Emissionsdiode 12
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Kippdiode 6 und Emissionsdiode 12 ist bestimmt durch die zwischen den beiden Elementen zulässige Spannungsdifferenz. In der Praxis genügt ein Abstand von etwa 1 cm ; gegebenenfalls können die Elemente 6 und 12 in einem einzigen Halbleiterkörper vereinigt sein, wie dies an Hand der Fig. S näher dargelegt ist. Um bei diesem Abstand eine wirksame optische Kopplung zwischen den beiden Halbleiterbauelementen zu erzielen, wird gemäss einer Weiterentwicklung der Erfindung vorgeschlagen, den durch die glockenförmige Haube 7 und die Grundplatte 1 des Gehäuses gebildeten Raum 13 wenigstens näherungsweise die Form eines Ellipsoides zu geben und die Emissionsdiode in dem einen Brennpunkt, die Kippdiode in dem andern Brennpunkt des Ellipsoides anzuordnen.
Ferner empfiehlt es sich die Grundplatte 1 und die Haube 7 mit einer die Strahlung 14 der Emissionsdiode 12 gut reflektierenden Innenfläche zu versehen. Nach dem Zusammenbau der Kippdiode 6 mit der Bodenplatte 1 sowie der Emissionsdiode 12 mit der Haube 7 werden die Haube 7 und die Grundplatte 1 am Rand 15 in bekannter Weise, z. B. durch Schweissen, Löten, Kaltschweissen oder Thermokompression, miteinander verbunden.
Die Strahlung der Emissionsdiode 12 muss natürlich in der Lage sein, im Halbleitermaterial der pnpn-Kippdiode 6 freie Ladungsträger zu erzeugen. Hiebei ist es besonders günstig, wenn die Bandbreiten des Halbleiters, aus dem die Kippdiode 6 besteht, und des die Emissionsdiode 12 bildenden Halbleiters in entsprechender Weise aufeinander abgestimmt sind. Infolgedessen empfiehlt es sich die Energie der von der Emissionsdiode ausgesendeten Strahlung grösser als dem der Breite des verbotenen Bandes ihres Halbleitermaterials entsprechenden Energiebetrag zu machen. Deshalb ist es wiederum vorteilhaft, wenn die Breite des verbotenen Bandes des die Emissionsdiode aufbauenden Halbleiters gleich bzw. grösser als die des die pnpn-Schaltdiode aufbauenden Halbleiters gewählt ist.
Im allgemeinen wird man mit Sicherheit die gewünschte Wirkung erzielen können, wenn das Halbleitermaterial der Emissionsdiode dem der pnpn-Schaltdiode entspricht. So können z. B. sowohl Emissionsdiode als auch pnpn-Kippdiode aus Galliumarsenid bestehen. Da die Bandbreite von Galliumarsenid grösser als die von Germanium und Silizium ist, folgt, dass die Frequenz des ausgestrahlten Lichtes auf jeden Fall in der Lage ist, auch in Germanium-bzw. Silizium-pnpn-Dioden durch Durchbruch zu zünden.
Eine andere geeignete Ausgestaltung sieht für die Emissionsdiode die Verwendung von Galliumphosphid, z. B. eines Mischkristalles aus Galliumphosphid und Galliumarsenid-beispielsweise von der Zusammensetzung GaAsP-als Halbleitermaterial vor. Die pnpn-Diode kann in diesem Fall ebenfalls aus Galliumphosphid oder aus Silizium bzw. Germanium bestehen. Im allgemeinen ist es nicht schwierig, auf
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Grund der bekannten Eigenschaften von Halbleitermaterialien geeignete Kombinationen anzugeben. Es empfiehlt sich ferner, wenn die strahlende Diode als Laserdiode ausgebildet ist, da dann eine besonders gute optische Kopplung erreicht wird.
Ebenfalls in Interesse einer guten optischen Kopplung kann die Massnahme dienen, strahlende Diode und pnpn-Diode in einem einzigen Halbleiterkörper zu vereinigen. Eine diesbezügliche Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Im Interesse einer möglichst weitgehenden Entkopplung der in einem einzigen Halbleiterkörper vereinigten Halbleiterbauelemente muss man durch Anwendung sogenannter isolieren- der"pn-Übergänge dafür sorgen, dass kein Stromfluss von dem die pnpn-Diode bildenden Teil des Halbleiterkörpers zu dem die Emissionsdiode bildenden Teil des Halbleiterkörpers entstehen kann. Durch Anwendung sogenannter Hetero-pn-Übergänge kann auch in diesem Falle eine besonders günstige Absorption der von der strahlenden Diode ausgesendeten Strahlung in dem die pnpn-Diode betreffenden Teil erreicht werden.
In Fig. 2 ist eine entsprechende, rotationssymmetrisch ausgebildete Vorrichtung dargestellt, die man sich innerhalb eines Gehäuses montiert zu denken hat. Im Zentrum der Anordnung befindet sich der die Schaltdiode betreffende Teil, der aus den Zonen nS, pS , nS , pS und den die beiden äusseren Zonen nS undpS sperrfrei kontaktierenden Elektroden 19 und 20 besteht. Dieser ist von einem ringförmigen, die Emissionsdiode, besonders Laserdiode, bildenden Teil, bestehend aus den Zonen nE und pE und den diese beiden Zonen ringförmig kontaktierenden Elektroden 17 und 18, koaxial umschlossen.
Zwischen dem die Schaltdiode und dem die Emissionsdiode betreffenden Teil der Anordnung sind sogenannte isolierende, ringförmige pn-Übergänge vorgesehen, die durch eine ringförmige, zwischen den beiden p-leitenden Zonen pE und pS2 angeordnete, diese beiden Zonen vollständig voneinander trennende n-leitende Zone 16 gebildet werden. Die Anordnung des bei Belastung in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs der Schaltdiode (zwischen den Zonen pS, undnS) ist so getroffen, dass die Strahlung (21) vom pn-Übergang der Emissionsdiode (zwischen den Zonen nE und pE) auf möglichst kurzem Weg ungeschwächt an diesen pn-Übergang gelangen kann.
Diesem Zweck dient auch die besonders aus Fig. 2 ersichtliche Ausgestaltung des Halbleiterkörpers, besonders die zwischen den pn- Übergän- gen der Schaltdiode einerseits und der Emissionsdiode anderseits vorgesehene rillenförmige Ausnehmung (22).
Es ist der heutigen Halbleiter-Präparationstechnik ohne weiteres möglich, auch im Falle der in Fig. 2 dargestellten Anordnung zu erreichen, dass die Schaltdiode einerseits, die Emissionsdiode anderseits aus unterschiedlichem Halbleitermaterial besteht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zum Koppeln zweier elektrischer Stromkreise, bei der eine dem ersten Stromkreis angehörende Halbleitervorrichtung durch Strahlungsabgabe den Betriebszustand einer dem zweiten Stromkreis angehörenden, im gleichen Gehäuse angeordneten zweiten Halbleiteranordnung beeinflusst, da-
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schiedlichem Leitungstyp aufweisende Halbleiter-Kippdiode (6) verwendet ist.