AT407445B - Realisierung eines hybriden bistabilen schaltelementes durch wechselwirkung zweier lichtstrahlen in einem halbleiter - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung von   Photostrombistabilitäten   in einem   halbleitenden Matenal,   die durch die Wechselwirkung durch zwei Lichtstrahlen in dem Material zustande kommen
Photonische Schaltelemente fur logische Operationen aus   halbleitenden Volumsmatenal   und Dünnschichten finden bisher In der Technik kaum Anwendung Fur die erwünschten nichtlinearen Effekte sind indiskutabel hohe   Llchtlntesltàten   notwendig (bis zu   MW/cm-2).   Aus diesem Grund wird, entgegen Prognosen aus den früheren achziger Jahren, die Realisierung eues "optischen Rechners" heute für sehr unwahrscheinlich gehalten, wie in dem Buch von J. E.

   Midwinter,   Photon ! cs in Switching, Voiume t,   Academic Press, San Diego (1993), ausfuhrlich beschrieben Es hat den Anschein, dass die Elektronik unangefochten ihren Siegeszug in der Rechnertechnologie und Datentechnik fortsetzt. Andererseits werden zukünftige Rechneranlagen auf die grosse Bandbreite des Lichtes, die jene der Elektronik bel weitem übertrifft, sicher nicht verzichten können Es zeichnet sich daher ein Kompromiss zwischen Elektronik und Photonfk ab, in dem hybride Schaltelemente, d. h, Verbindungselemente zwischen   Photonik   und Elektronik, eine entscheidende Rolle spielen werden. Photothermische hybride Bistabilitaten sind an dünnen   (6u. m)   CdS 
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 J. Opt Soc.

   Am B 8,691, (1991), beobachtet worden Jene photothermischen   Hybridbistabilitäten     benötigten   typischerweise Anregungsintensitäten im Bereich   102-103     Wem-2   Darüberhinaus sind mehrere Verfahren bekannt, die die hybriden und optischen Eigenschaften von CdS ausnützen Gemäss DE 15 91 083 A1 und DE 19 41 111 A1 (DEUTSCHE IT INDUSTRIES GMBH) wurden Abtastsysteme beschrieben, deren Halbleiterkörper (z B. GaAs, CdS) bel hohen elektrischen Feldstärken (2-3 kVcm-1) Unstabilitäts- bzw. Hochfeldinstabilitätseffekte aufweisen.

   Die Funktion der Abtastsysteme unterliegt der Fortpflanzung dieser Hochfeldeffekte wobei im wesentlichen der   Pockels-Effekt,   die Bragg-Streuung und der Franz-Keldysh-Effekt zur Abtastung eines auf einen CdS   Knstall projezierten Bildes   verwendet werden. In der US 3 924 444 A (HEYMAN ET   AL.)   ist 
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 beschrieben,quelle auf den CdS   Knstall fokusiert,   um die identische Ultraschallabschwächung wie die der zu untersuchenden Probe einzustellen Nach dieser Kalibrierung wird die Messung mittels eines zerhackten Lichtstrahls, der von einer zweiten Lichtquelle stammt, durchgeführt.

   Das DE 19 15320 A1 (MINNESOTA MINING MANUFACTURING COMPANY) beschreibt unter anderem die spontane und stimulierte Lichtemission von CdS durch das Bombardement von Elektronenstrahlen Um die Emission zu begünstigen wurden die reflektierenden Flächen des Kristall mit Silberschichten überzogen Weiters sind Verfahren bekannt, die die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu Messzwecken und Qualitätsprüfungen benutzen. Gemäss DE 21 41 824 A1 (SIRA INSTITUTE) wurde ein Verfahren entwickelt mit dem die Messung des Durchmessers von Fasern durch Ausnutzung des   Fraunhofer'schen   Beugungsbildes durchgeführt werden kann.

   Die Faser wurde dabei mit einem zerhackten   koharenten,   kollimierten, monochromatischen Lichtstrahl (Laser) beleuchtet Die Messung wird mittels schwenkbarer Sammellinse und Photozelle durch-   gefuhrt.   In der EP 266 728 A2   (WACKER-CHEMITRONIC   GESELLSCHAFT FÜR ELEKTRONIKGRUNDSTOFFE MBH) wird ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenqualität von Halbleiterscheiben beschrieben. Die Oberflächenqualität wird durch Erfassung des Streulicht eines schräg zur Oberfläche einfallenden zerhackten Laserstrahls festgestellt. 



   Im Gegensatz zu den obigen Veröffentlichungen und Patenten ist es das Ziel der Erfindung ein hybrides bistabiles Schaltelement (logisches Element) vorzuschlagen, das bei geringen Lichtintensitäten   ( < 500 mWcm-2) Photostromblstabilitat   aufweist und mit geringen elektrischen Feldstärken   (., ; 4 Vcm'1)   betrieben wird. Erfindungsgemass wird dies mit mit zwei Lichtquellen, die beide auf einen Halbleiter gerichtet sind, erreicht Eine der beiden Lichtquellen wird zerhackt.

   Ab einem gewissen Intensitätsschwellwert der zweiten Lichtquelle wird in dem Photostrom, der von der zerhackten Lichtquelle hervorgerufen wird, ein bistabiler Schaltvorgang hervorgerufen Es zeigen
Figur 1 die schematische Darstellung der Realisierung des hybriden bistabilen Schaltelementes,
Figur 2 die im Uhrzeigersinn verlaufende hybride Bistabilität bei 3   Vcm-1,   wobei zur Demonstra-   tion   der Reproduzierbarkeit fünf aufeinanderfolgende Schleifen dargestellt sind, 

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Figur 3a hybride   Blstabllitäten   bei 1   Vcm'\   Figur 3b hybride   Bistabllitàten   bei 2 Vcm-1,
Figur 4 eine hybride   Bistab ! ! ität bei   4 Vcm-1
Das hybnde Schaltelement wurde mit einem   undotierten   quaderförmigen (2x2x9 mm)

   CdS Kristall realisiert. Die Verwendung eines   Halbleitervolumsmatenal   stellt kein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, da auch halbleitende Dünnschichten verwendet werden können. Abbildung 1 zeigt die Details der Anordnung Der Halbleiterknstall (1) wurde zwischen zwei aufgedampften Indium Kontakten (2), die einen Abstand von 1 mm aufwiesen, von einer   grunen   60 mCd Leuchtdiode (3), deren Emission mittels Zerhacker (4) zerhackt wurde, beleuchtet.

   Die Verwendung einer grünen Leuchtdiode stellt ein Vorteilhaftes, jedoch nicht wesentliches Merkmal der Erfindung dar Die Leuchtdiode wurde mit der Spannungsversorgung (5) betneben Um einen Photostrom (6) durch den CdS Kristall zu treiben wurde zwischen den Kontakten (2) ein elektrisches Feld von   : : ; 0 4 Vcm-1 angelegt   Die Spannung wurde von der Spannungsquelle (7) geliefert. Der Photostrom (6) wurde mit einem Synchrongleichrichter (8) gemessen, der die Referenzfrequenz (278 Hz) vom Lichtzerhacker (4) bezog.

   Der Zerhacker (4) stellt kein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, da auch gepulste Leuchtdioden verwendet werden können Der CdS Kristall (1) wurde gleichzeitig mit einem Lichtstrahl (9) eines He-Ne Lasers beleuchtet, dessen Ausgangsleistung mittels eines   Flusslgkrlstallpolarisators   mit 100 mHz zwischen 0 und 10 mW moduliert war. Als Lichtquellen für den Lichtstrahl (9) haben sich Insbesondere He-Ne Laser bewährt, wenngleich die Verwendung von   intensitätsstarken   inkohärenten Lichtquellen wie z. B. Quecksilberdampflampen nicht ausgeschlossen ist. Laser und   Flüssigkristallpolarisator   sind In der Abbildung nicht dargestellt Der Laserstrahl (9) steht senkrecht auf die Emissionsrichtung (10) der Leuchtdiode.

   Der Umstand, dass die Lichtstrahlen (9) und (10) senkrecht aufeinander stehen stellt kein wesentliches Merkmal der Erfindung dar und ergab sich aus der Form des verwendeten   Haiblelterknstalls   (1). Mit einer Si-Photodiode (11) wurde ein proportionales Signal (12) der einfallenden   Laserintensität   via eines Strahl-   teilers   (13) gemessen. Mit der dargestellten Anordnung kann der Photostrom, der durch die grüne Leuchtdiode hervorgerufen wird, als Funktion der einfallenden He-Ne Laserleistung gemessen werden. Abbildung 2 zeigt den Verlauf des Photostromes als Funktion der   Lasenntensität   bei einem elektrischen Feld von 3 Vcm-1 
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Claims (4)

das Auftreten der Bistabilität zu verstehen, muss erwähnt werden, dass der He-Ne Laser einen Photo-Gleichstrom im pA-Bereich verursacht und somit deutlich über den Werten der Abbildungen 2 und 3 liegt. Es liegt daher die Schlussfolgerung nahe, dass, ab einer gewissen Lasenntensität, fast alle Ladungsträger vom Laser angeregt werden und die grüne Emission der Leuchtdiode daher kaum mehr absorbiert wird Daher nimmt der Photo-Wechselstrom der Leuchtdiode ab Die bisherigen Aussagen erklaren nur die Abnahme des Photostromes aber weder das bistabile Verhalten in den Abbildungen 2 und 3 (b) noch die extreme Empfindlichkeit des Photostromes auf Variationen des elektrischen Feldes. Die letzteren Phänomene hangen mit der Lebensdauer der angeregten Ladungsträger und deren Transit- bzw Laufzeit zwischen den Kontakten zusammen Sind Lebensdauer und Laufzeit von derselben Grössenordnung, so verursacht eine geringe Variation des elektrischen Feldes beträchtliche Veränderungen des Photostromes. Im konkreten Fall liegen beide Zeitkonstanten tatsächlich nahe beieinander und betragen ca 0. 2-0 4 ms Bei einem Feld von 1 Vcm-1 ISt der Transitprozess nicht effektiv genug, um die vom He-Ne Laser angeregten Ladungsträger im CdS Kristall in die Kontakte abzutransportieren Sie rekombinieren vorher und der Photo-Wechselstrom wird kaum von der einfallenden Laserintensität beeinflusst [Abbildung 3 (a)] Bei entsprechenden Feldern wird der Transitprozess effektiv und Bistabilität tritt auf [Abbildungen 2 und 3 (b)]. Ein Vergleich der Abbildungen 3 und 4 zeigt, dass ein weiterer Anstieg des elektrischen Feldes die Breite der Schaltschleife vergrössert und die benotigte Laserintensität zur Auslösung der Bistabilität abnimmt ; dies hängt damit zusammen, dass bei Feldergrösserung mehr Ladungsträger die Kontakte erreichen PATENTANSPRÜCHE :

1 Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitäten, dadurch gekennzeichnet, dass im <Desc/Clms Page number 3> Strahlengang eines Llchtstrahls (9), ein HalbleiterkrIstall (1) angeordnet ist, durch den mittels eines zweiten zerhackten Lichtstrahls (10) und einer Spannugsquelle (7) ein Photo- strom (6) mit einer charakteristischen Frequenz getrieben wird, wobei ab einem gewissen Intensitätswert des Lichtstrahls (9) Bistabitität im Photostrom (6), der mit Synchrongleich- nchter (8) gemessen wird, verursacht wird.

2 Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitáten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Halbleiterkristall (1) aus CdS besteht

3 Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitaten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Lichtstrahl (9) durch einen He-Ne Laser hervorgerufen wird

4. Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabiiitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass Lichtstrahl (9) durch eine intensitätsstarke Inkoharente Lichtquelle hevorge- rufen wird 5.

Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die charakteristische Frequenz des Photostroms (6) durch eine gepulste Leuchtdiode erzielt wird 6 Anordnung zur Erzeugung von hybnden Bistabllitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Photostrom (6) von einer Lichtquelle m Kombination mit einem Mono- chromator hervorgerufen wird 7 Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Halbleiterkristall (1) durch eine dünne halbleitende Schicht ersetzt wird 8 Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass, bei Unterschreltung einer charakteristischen elektrischen Feldstärke, keine Photostrombistabllität stattfindet 9.

Anordnung zur Erzeugung von hybriden Bistabilitäten nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Lichtstrahl (9) von einem Halbleiterlaser z. B GaAs-Laser, hervorge- rufen wird