DE1048346B

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Publication number: DE1048346B
Application number: DENDAT1048346D
Authority: DE
Publication date: 1959-01-08

Description

DEUTSCHES

In Analogie zur Spannungselektrolumineszenz ist es aus dem Aufsatz von K. Lehovec, C. A. Accardo und E. Jamgochian, »Injected light emission of silicon carbide crystals«, in Physical Review₁Vol. 83, August 1951, bekannt und in dem Aufsatz von M. Schön, »Zum Leuchten der Karborundkristalle beim Stromdurchgang«, in der Zeitschrift für Naturforschung, 8 a, 1953, näher untersucht worden, daß Aktivatoren auch für die Stromelektrolumineszenz einen Einfluß auf Halbleiterlichtquellen besitzen. Des weiteren ist bekannt, die Rekombinationsenergie zur Strahlung auszunutzen, die bei der Rekombination von Elektronen mit Defektelektronen im pn-übergang eines Halbleiters auftritt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß ein Halbleitermaterial Verwendung findet, dessen Bandabstand größer als das hv des interessierenden Strahlungsbereiches ist.

Während jedoch ein spannungselektrolumineszierender Kondensator nur eine geringe Leuchtdichte aufweist, hat die obengenannte Anordnung den Nach teil, daß sie nur als Nieder voltleuchte benutzt werden kann und ausschließlich mit Gleichstrom zu betreiben ist.

Fernerhin sind Leuchteffekte bekannt, welche in der Strahlung eines Halbleiterkristalls aus ZnS : Cu bestehen, der mit zwei als Sperrandschichten wirkenden Kontaktierungen versehen ist. Dieser Halbleiterkristall weist also überhaupt keinen pn-übergang auf. Der physikalische Effekt, auf dem die Leuchterscheinung beruht, ist daher auch nicht demjenigen der Leuchterscheinung beim pn-übergang in Parallele zu setzen.

Als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Walter Heywang, Karlsruhe, ist als Erfinder genannt worden

~Diese Leuehterscheinühg TrTtt nämlich immer nur dann auf, wenn die negative Phase des Wechselstromes wirksam ist, d. h. wenn die jeweilig leuchtende Randschicht in Sperrichtung belastet ist.

Demgegenüber geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, die Leuchterscheinung beim pn-übergang nur auftreten zu lassen, wenn dieser in Durchlaßrichtung belastet ist. Sie geht weiterhin von der Erkenntnis aus, die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen an Übergangsstellen von Zonen verschiedenen Leitungstyps als Strahlung auszunutzen und mit Wechselspannung unter Ausnutzung beider Wechselstromphasen zu betreiben. Die Erfindung bezieht sich auf eine als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung für StromeIektrolumineszenz, bei der die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen an den Übergangsstellen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt ist. Erfindungsgemäß findet ein für die zu erzeugende Strahlung durchlässiger Halbleiterkristall mit mindestens drei Zonen unterschiedlichen Leitungstyps Verwendung, die so an eine Wechselspannung gelegt sind, daß jeweils die in Durchlaßrichtung belasteten Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps strahlen, während die nicht in Durchlaßrichtung liegenden Übergänge zugleich als kapazitive Strombegrenzung dienen.

Die als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung für Stromelektrolumineszenz nach der Erfindung besteht aus einem Halbleiterkörper, vorzugsweise Halbleiterkristall, besonders Einkristall, in dem analog einer Transistoranordnung mindestens zwei Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, vorzugsweise entgegengesetzten Leitungstyps, hintereinandergeschaltet sind, bei der ebenfalls das Rekombinationsleuchten, das an derTTJbergangszonen auftritt, ausgenutzt wird. Diese Anordnung kann mit Wechselstrom betrieben werden, insbesondere können höhere Wechselspannungen Verwendung finden, wobei jeweils der in Durchlaßrichtung belastete pn-übergang strahlt. Wenn der eine Übergang strahlt, dient jeweils der andere als kapazitive Strombegrenzung.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens läßt sich diese Anordnung gegenüber den bekannten Leuchtanordnungen, welche die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen ausnutzen, noch weiter dadurch verbessern, daß dem Halbleiter in an sich bekannter Weise geeignete Aktivatoren eingelagert sind. Diese Aktivatoren, die an sich^- auch in der Lumineszenztechnik bekannt sind, können bei der Anordnung nach der Erfindung gleichzeitig als Donatoren oder Akzeptoren, vorzugsweise als Akzeptoren, Verwendung finden. Es ist j edoch weiterhin vorgesehen, daß außer den an sich die pn-Übergänge bzw. pnp- oder npn-Übergänge bewirkenden Donatoren und Akzeptoren zusätzliche Aktivatorenge eigneter Konzentration und mit geeigneten, oberhalb

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Claims

der Akzeptorenterme beziehungsweise unterhalb der Donatorenterme liegenden Termen verwendet werden. Erfindungsgemäß sind weiterhin Nachleuchtmechanismen bzw. Haftstellen in dem Halbleiter vorgesehen, durch die das Leuchten die wegen des angewandten Wechselstromes auftretenden schwach oder nichtleuchtenden Phasen überbrückt. Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht der Halbleiter aus Stoffen mit besonders großem Bandabstand, beispielsweise Zinkoxyd oder Zinksulfid oder anderen Oxyden oder auch Titanaten, die in der Lumineszenztechnik verwendet werden, jedoch in die Transistorentechnik bisher noch nicht Eingang gefunden haben. Als Halbleitersubstanzen empfehlen sich auch Verbindungen von Stoffen aus der III. und V. oder II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, sofern diese Verbindungen für die zu erzeugende Strahlung durchlässig sind. In jedem Falle ist es zweckmäßig, die Leitfähigkeitszonen einzeln derart dünn auszubilden, daß die durch die Rekombination erzeugte Strahlung keine nennenswerte Absorption durch sie erfährt. Die Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps können unter Umständen auch eine Intrinsic-Zone, d. h. durch eine Zone, bei der sich die Donatoren und Akzeptoren gegenseitig gerade kompensieren oder bei der überhaupt keine Donatoren und Akzeptoren anwesend sind, und anstoßende Zonen von p- oder η-leitendem Leitungstyp erzeugt werden. Es können auch mehrere Zonen unterschiedlichen Leitungstyps hintereinandergeschaltet bzw. gegeneinandergeschaltet sein. Eine andere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, die gegeneinandergeschalteten Zonen nicht in einem einzigen Halbleiterkörper anzuordnen, sondern zwei oder mehrere mit unter Umständen nur je einer Übergangsstelle zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps gegeneinanderzuschalten. Wenn modulierte Strahlungen übertragen werden sollen, läßt sich beim Betrieb der Strahlungsanordnung nach der Erfindung der Wechselspannung gegebenenfalls eine Modulation aufdrücken. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt, p, n, p bedeuten die drei Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit eines Halbleiterkristalls. Alle drei Zonen sind möglichst dünn im Verhältnis zur Flächenausdehnung dimensioniert Auf—der—Oberfläche der Zone P1 ist eine spiegelnde Elektrode 1 angeordnet, während die zweite Zone p2 vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit einer sehr dünnen, strahlungsdurchlässigen Flächenelektrode 2 fest überzogen ist, auf der zur Vergrößerung des Leitwerts ein Gitter 3 aufgebracht ist. Diese Anordnung strahlt sämtliches Licht nach der einen Seite ab. Die ganze Anordnung ist im Ausführungsbeispiel hohlspiegelartig gekrümmt. Gegebenenfalls kann, was in der Zeichnung nicht vorgesehen ist, die mittlere Leitfähigkeitszone η noch mit einer Basiselektrode versehen sein, die auf dem Nullniveau der angelegten Wechselspannung gehalten wird. Patentansprüche:

1. Als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung für Stromelektrolumineszenz, bei der die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen an den Übergangsstellen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein für die zu erzeugende Strahlung durchlässiger Halbleiterkristall mit mindestens drei Zonen unterschied-

liehen Leitungstyps Verwendung findet, die so an eine Wechselspannung gelegt sind, daß jeweils die in Durchlaßrichtung belasteten Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps strahlen, während die nicht in Durchlaßrichtung liegenden Übergänge zugleich als kapazitive Strombegrenzung dienen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall in an sich bekannter Weise zwei Zonen gleichen Leitungstyps, die durch eine Zone entgegengesetzten Leitungstyps getrennt sind, z. B. die Zonenfolge ρ η ρ bzw. η p η aufweist und die Wechselspannung über zwei an den äußeren Zonen angelegte Elektroden zuführbar ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Intrinsic-Zone vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitungstyp der Zonen des Halbleiterkristalles erzeugenden Donatoren oder Akzeptoren, insbesondere die Akzeptoren, als Aktivatoren im Sinne der Lumineszenztechnik ausgebildet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den an sich die positive oder negative Leitfähigkeit bewirkenden Donatoren bzw. Akzeptoren zusätzliche Aktivatoren hinzugefügt sind, deren Terme in geeignetem Abstand oberhalb der Terme der Akzeptoren bzw. unterhalb der Terme der Donatoren des Halbleiterkristalles liegen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Nachleuchtmechanismen, beispielsweise Haftstellen, in den Halbleiter eingelagert sind, welche die nichtleuchtende Phase des Wechselstromes überbrücken.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Anordnungen gegeneinandergeschaltet und an eine Wechselspannung gelegt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der angelegten Wechselspannung eine Modulation aufgedrückt ist.

9. Anordnung ^-TTaclr^- einem deY~Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter als Einkristall ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Halbleiterkristall aus einem Halbleiterstoff mit großem Bandabstand, beispielsweise aus Zinkoxyd oder in an sich bekannter Weise aus Zinksulfid, besteht.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Halbleiterkristall aus einer halbleitenden Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe oder der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems besteht.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen verschiedenen Leitungstyps des Halbleiterkristalles so dünn gehalten sind, daß sie der Rekombinationsstrahlung keinen nennenswerten Absorptionswiderstand bieten.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode der Anordnung dünn, z. B. als

Folie, und/oder durchbrochen, z. B. als Gitter, ausgebildet ist, so daß sie für die Rekombinationsstrahlung gut durchlässig ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich an einer Seite der Halbleiteranordnung ein Spiegel, z. B. ein Hohlspiegel, befindet, der vorzugsweise gleichzeitig als Kontaktierung dient.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 243 490; USA.-Patentschrift Nr. 2 254 957; Zeitschrift für Naturforschung, 8a, 1953, S. 442; Bull. Schweiz, elektrotechn. Verein, Bd. 42, 1951, S. 91;

Physical Review, Bd. 83, 1951, S. 603 ff., und Bd. 87, 1952, S. 151.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen