DE1178516B

DE1178516B - Method for controlling the intensity of an ultrared light beam and arrangement for carrying it out

Info

Publication number: DE1178516B
Application number: DED36712A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Helmut Salow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-08-02
Filing date: 1961-08-02
Publication date: 1964-09-24

Description

Verfahren zur Steuerung der Intensität eines Ultrarot-Lichtstrahles und Anordnung zur Durchführung desselben Es ist bekannt, die Intensität eines Ultrarot-Lichtstrahles mittels einer Kerrzelle elektrisch zu steuern. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen zunächst in der Begrenzung der Wellenlänge im Ultraroten bis auf 3 Et, da Kerrzellen mit Quarzfenster nur bis zu dieser Wellenlänge lichtdurchlässig sind. Ferner wird für die Kerrzellen polarisiertes Ultrarot-Licht benötigt, was mindestens einen Intensitätsverlust von 50% der Ultrarot-Strahlung bedeutet. Polarisationsfilter im Ultrarot aus Selen sind aufwendig und unhandlich, gepreßte Polarisationsfolien reichen nicht weit in das Ultrarot-Gebiet. Eine Kerrzelle verlangt die Anwendung hoher Feldstärken, die bis an die Grenze der Durchschlagfestigkeit des Nitrobenzol gehen. Bei hohen Frequenzen wird die Spannungsmodulation der Kerrzelle deshalb aufwendig. Die technisch erreichbare Frequenzgrenze liegt bei einigen zehn Megahertz (G. Belt, Solid State Physics IV. S. 776, l960). Eine andere bekannte Methode, einen Ultrarot-Lichtmodulator zu gewinnen, besteht darin, in ein Halbleiterstück, das vom Lichtstrahl durchsetzt wird, absorbierende Ladungsträger zu injizieren (»Electronics«, März 1961, S. 177).Method for controlling the intensity of an ultra-red light beam and arrangement for carrying out the same. It is known to measure the intensity of an ultrared light beam electrically controlled by means of a Kerr cell. The disadvantages of this method are initially in the limitation of the wavelength in the ultra-red down to 3 Et, since Kerr cells with a quartz window are only translucent up to this wavelength. Furthermore, polarized ultrared light is required for the Kerr cells, which at least results in a loss of intensity of 50% of the ultrared radiation means. Polarizing filter in the ultra-red made of selenium are complex and unwieldy, pressed polarization foils do not go far in the ultra-red area. A Kerr cell requires the use of high field strengths, the go to the limit of the dielectric strength of nitrobenzene. At high frequencies the voltage modulation of the Kerr cell is therefore expensive. The technically achievable The frequency limit is a few tens of megahertz (G. Belt, Solid State Physics IV. P. 776, 1960). Another well-known method of obtaining an ultra-red light modulator is consists in absorbing into a piece of semiconductor through which the light beam passes To inject charge carriers ("Electronics", March 1961, p. 177).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Intensität eines Ultrarot-Lichtstrahles durch einen im Strahlengang angeordneten, in seiner Absorption veränderbaren Halbleiterkörper, bei dem erfindungsgemäß der mit Akzeptoren und/oder Donatoren hochdotierte Halbleiterkörper auf tiefe Temperatur, vorzugsweise unterhalb der der flüssigen Luft, gebracht und an eine so bemessene Modulationsspannung gelegt wird, daß beim Überschreiten einer kritischen Feldstärke, bei der im Halbleiterkörper in bekannter Weise schlagartig Ladungsträger freigesetzt werden, die Ultrarot-Absorption erhöht wird.The invention relates to a method for controlling the intensity of an ultrared light beam through one arranged in the beam path, in his Absorption changeable semiconductor body, in which, according to the invention, the one with acceptors and / or donors highly doped semiconductor bodies at low temperatures, preferably below that of the liquid air, and brought to a modulation voltage dimensioned in this way is placed that when a critical field strength is exceeded in the semiconductor body In a known way, charge carriers are suddenly released, the ultrared absorption is increased.

Erwähnt sei, daß die schlagartige Ladungsträgererzeugung bei einer kritischen Feldstärke an einem auf tiefer Temperatur befindlichen Halbleiterkristall an sich bekannt ist (R. H. R e d i k e r, A. L. M c W h o r t e r , Solid State Physics, II, S. 930, 1960). Eine technische Ausnutzung dieses Effektes für Zwecke der Ultrarot-Lichtsteuerung ist bisher nirgends erwogen worden.It should be mentioned that the sudden generation of charge carriers in a critical field strength on a semiconductor crystal at a low temperature is known per se (R. H. R e d i k e r, A. L. M c W h o r t e r, Solid State Physics, II, p. 930, 1960). A technical exploitation of this effect for purposes ultra-red light control has not yet been considered anywhere.

Der für das vorliegende Verfahren verwendete Halbleiterkörper muß zunächst entweder mit Donatoren oder mit Akzeptoren oder mit beiden Fremdstoffen hoch dotiert sein. Er befindet sich auf tiefer Temperatur (etwa 1 bis 20° K) derart, daß alle Donator- und Akzeptorterme besetzt sind. Der Kristall ist für Ultra-Strahlung durchlässig, da freie Elektronen oder Löcher in ihm nicht vorkommen. Sein spezifischer Widerstand ist aus dem gleichen Grund sehr hoch (> 108 Qcm). Legt man bei dieser Temperatur an das Kristallstück über sperrfreie Metallelektroden eine Spannung, 'so wird bei Überschreitung einer gewissen kritischen Feldstärke schlagartig eine große Zahl von Ladungsträgern freigesetzt, die direkt im Störstellenband wandern können. Die lawinenartige Trägerproduktion hält an, bis alle Donatoren und Akzeptoren ionisiert sind. Der Vorgang spielt sich in sehr kurzer Zeit ab (<5,10-9 Sekunden). Er ist reversibel.The semiconductor body used for the present method must first be highly doped either with donors or with acceptors or with both foreign substances. It is at a low temperature (about 1 to 20 ° K) in such a way that all donor and acceptor terms are occupied. The crystal is permeable to ultra-radiation, since free electrons or holes do not exist in it. Its specific resistance is very high (> 108 Ωcm) for the same reason. If a voltage is applied to the crystal piece at this temperature via non-blocking metal electrodes, a large number of charge carriers are suddenly released when a certain critical field strength is exceeded, which can migrate directly in the impurity band. The avalanche-like carrier production continues until all donors and acceptors are ionized. The process takes place in a very short time (<5.10-9 seconds). It is reversible.

Dieser nur bei tiefen Temperaturen bekannte Prozeß der Ladungsträgererzeugung läßt sich in einfacher Weise zur Ultrarot-Lichtmodulation ausnutzen. Vorteilhaft wird der gewünschte funktionale Zusammenhang zwischen der Steuerspannung und der Ultrarot-Absorption durch die geometrische Ausbildung des Halbleiterkörpers erreicht. Da die Trägererzeugung ein Volumeneffekt ist, kann ein Filter für Ultrarot-Strahlung zweckmäßig wie ein Plattenkondensator mit zwei metallischen Belegungen, zwischen denen das elektrische Feld angelegt ist und die Ultrarot-Strahlung geführt wird, geformt sein (Vgl. A b b. 1). Der Übergang vom hochohmigen zum niederohmigen Zustand erfolgt bei sehr scharfer kritischer Spannung, so daß der ganze Kristall entweder durchsichtig oder nahezu undurchsichtig ist. Dies Verhalten ist für eine Impulsmodulation der Ultrarot-Strahlung günstig. Strebt man aber einen gleichartigen Verlauf der Ultrarot-Absorption mit der Spannung an, so müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. Eine einfache Methode besteht darin, daß die Stärke der von frei gewordenen Ladungsträgern durchsetzten Schicht des Halbleiterkörpers in Abhängigkeit von der Modulationsspannung geändert wird. Wählt man in Weiterbildung der Erfindung z. B. ein keilförmig sich verjüngendes Halbleiterelement, bei dem die Höhe h in einem linearen Verhältnis zur Dicke d des Elementes steht (vgl. A b b. 2), so wird bei einer gewissen Spannung Va die kritische Feldstärke erreicht werden, und eine dünne Scheibe des Halbleiters beginnt bei der Spannung (VO +- a) leitend zu werden und zu absorbieren. Mit zunehmender Spannung V wächst die Dicke der absorbierenden Zone an, da die kritische Feldstärke F" durch den Kristall wandert und diesen in einen ultrarotdurchlässigen und einen ultrarotabsorbierenden Teil trennt. Die für die Absorption der Ultrarot-Strahlung maßgebende Schichtdicke des Kristalls wächst linear mit der an den Metallbelegungen herrschenden Spannung V an.This process of generating charge carriers, which is known only at low temperatures, can be used in a simple manner for ultrared light modulation. The desired functional relationship between the control voltage and the ultrared absorption is advantageously achieved through the geometric design of the semiconductor body. Since the carrier generation is a volume effect, a filter for ultrared radiation can be shaped like a plate capacitor with two metallic layers between which the electric field is applied and the ultrared radiation is guided (cf. A b b. 1). The transition from the high-resistance to the low-resistance state takes place at a very sharp critical voltage, so that the entire crystal is either transparent or almost opaque. This behavior is favorable for a pulse modulation of the ultrared radiation. However, if one strives for a similar course of the ultrared absorption with the voltage, additional measures must be taken. A simple method consists in changing the thickness of the layer of the semiconductor body penetrated by released charge carriers as a function of the modulation voltage. If you choose in a development of the invention, for. B. a wedge-shaped tapering semiconductor element, in which the height h is in a linear relationship to the thickness d of the element (see. A b b. 2), the critical field strength becomes at a certain voltage Va can be reached, and a thin slice of the semiconductor begins to conduct and absorb at the voltage (VO + - a). With increasing voltage V, the thickness of the absorbing zone increases, since the critical field strength F ″ migrates through the crystal and separates it into an ultraredransparent and an ultraredabsorbing part the voltage V prevailing on the metal deposits.

Ein anderer funktioneller Zusammenhang zwischen der Ultrarot-Absorption und der Steuerspannung läßt sich erzielen, wenn man gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung den Strahlengang durch die im kritischen Feldstärkebereich liegenden Kristallteile wie durch eine mechanische Blende einengen läßt. Soll z. B. die lichtdurchlässige Fläche des Ultrarot-Modulators linear mit der angelegten Spannung abnehmen, dann muß die lichtundurchlässige Fläche des Filters linear mit der Spannung anwachsen. Das kann nach A b b. 3 in folgender Art bewirkt werden: Das Ultrarot-Licht durchsetzt parallel zu den Metallelektroden den Halbleiterkristall. Dieser ist so dick gewählt, daß er für den Fall F>Fo die Ultrarot-Strahlung vollkommen absorbiert. Die kritische Feldstärke bestimmt die wirksame Öffnung des Filters. Die metallischen Belegungen mögen einen Abstand f (x) von der durch die x-Koordinate bezeichneten Mittelebene besitzen. Die an der Stelle x" herrschende Feldstärke möge gerade die kritische Feldstärke sein: Die Bedingung, daß der lichtundurchlässige Teil des Filters linear mit der Spannung steigen soll, führt auf die Beziehung Die Funktion f (x) kann also durch eine e-Funktion 5o dargestellt werden, z. B. erfüllt der Ansatz die geforderte Beziehung (vgl. Abb. 3 b).Another functional relationship between the ultrared absorption and the control voltage can be achieved if, according to another development of the invention, the beam path through the crystal parts lying in the critical field strength range is narrowed like a mechanical diaphragm. Should z. B. decrease the translucent area of the ultrared modulator linearly with the applied voltage, then the opaque area of the filter must increase linearly with the voltage. According to A b b. 3 can be effected in the following way: The ultra-red light penetrates the semiconductor crystal parallel to the metal electrodes. This is chosen so thick that it completely absorbs the ultrared radiation in the event F> Fo. The critical field strength determines the effective opening of the filter. The metallic coverings may have a distance f (x) from the center plane designated by the x coordinate. Let the field strength prevailing at the point x "be precisely the critical field strength: The condition that the opaque part of the filter should increase linearly with the voltage leads to the relationship The function f (x) can thus be represented by an exponential function 50, e.g. B. fulfills the approach the required relationship (see Fig. 3 b).

Durch andersartige Formung des Kristalls und seiner Metallbelegungen läßt sich ein beliebiger funktioneller Zusammenhang zwischen der Spannung und dem Absorptionsverlauf der Ultrarot-Strahlung erzwingen.By shaping the crystal and its metal deposits in a different way any functional connection between the voltage and the Force the course of absorption of the ultrared radiation.

Die beiden Anordnungen nach den A b b. 2 und 3 sind untereinander austauschbar, so läßt sich die keilförmige Anordnung auch zu einer Steuerung durch Blendenwirkung ausnutzen, wenn man z. B. in der A b b. 2 den Ultrarot-Strahl in die Zeichenebene eintreten läßt. Ebenso kann man die Anordnung nach der A b b. 3 für eine Steuerung der Stärke der von frei gewordenen Ladungsträgern durchsetzten Schicht verwenden.The two arrangements according to A b b. 2 and 3 are one below the other exchangeable, so the wedge-shaped arrangement can also be used for a controller Take advantage of the glare effect if you z. B. in the A b b. 2 the ultrared ray in lets enter the plane of the drawing. You can also use the arrangement according to A b b. 3 for controlling the strength of the load carriers that have become free Use layer.

Die Modulationsfähiakeit des Filters reicht bis zu sehr hohen Frequenzen. Da die Prozesse der Trägerproduktion und -absorption im Nanosekundenbereich ablaufen, können Steuerfrequenzen bis ins Gigahertzgebiet wirksam werden.The modulation capability of the filter extends up to very high frequencies. Since the processes of carrier production and absorption take place in the nanosecond range, control frequencies up to the gigahertz range can take effect.

Claims

Claims: 1. Method for controlling the intensity of an ultrared light beam by a semiconductor body which is arranged in the beam path and whose absorption can be changed, characterized in that the semiconductor body highly doped with acceptors and / or donors brought to a low temperature, preferably below that of the liquid air, and is applied to a modulation voltage dimensioned in such a way that when a critical field strength at which suddenly in the semiconductor body in a known manner Charge carriers are released, the ultrared absorption is increased.

2. Procedure according to claim 1, characterized in that the desired functional relationship between the control voltage and the ultrared absorption due to the geometric design of the semiconductor body is achieved.

3. Order to carry out the procedure according to claim 1 and 2, characterized in that a plane-parallel, at its opposite sides of lock-free contacted semiconductor body to a control voltage is laid (A b b. 1).

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that that the thickness of the layer of the semiconductor body penetrated by released charge carriers is changed depending on the modulation voltage.

5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that those lying in the critical field strength range Crystal parts of the semiconductor body exert a dazzling effect on the ultrared ray.

6. Arrangement for performing the method according to claim 4, characterized in that that the semiconductor body and the lock-free contacts are in the direction of propagation of the ultrared ray taper in a wedge shape (A b b. 2).

7. Order for implementation of the method according to claim 5, characterized in that the semiconductor body and the non-blocking contacts are perpendicular to the direction of propagation of the Taper the ultrared ray in a wedge shape. B.

Method according to claims 1 and 2, characterized in that there is a linear relationship between the modulation voltage and the intensity of the transmitted ultrared ray through an effective aperture, which has an exponential curve with the applied voltage will.

9. Arrangement for carrying out the method according to claims 4 or 5, characterized in that the semiconductor body with its contacts running parallel to the beam direction has a symmetrical cross-sectional shape which, starting from the axes of symmetry, the relationship is sufficient, where x is the distance from the vertical axis of symmetry, ho is the distance from the horizontal axis of symmetry for x = o and F, the critical field strength (A b b. 3). Considered publications: Zeitschrift für angewandte Physik, 1961, Issue 11, p.518.