DE1212635B

DE1212635B - Optical transmitter with a semiconductor medium

Info

Publication number: DE1212635B
Application number: DEL47405A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Karl-Heinz Ullmer; Dr Rer Nat Winfried Moench; Dr Rer Nat Guenter Koehl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-03-25
Filing date: 1964-03-25
Publication date: 1966-03-17

Description

Optischer Sender mit einem Halbleitermedium Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender mit einem Halbleitermedium, der als Lichtquelle für hohe Strahlungsintensität geeignet ist.Optical transmitter with a semiconductor medium The present invention relates to an optical transmitter with a semiconductor medium serving as a light source is suitable for high radiation intensity.

Optische Sender mit einem Halbleitermedium weisen bekanntermaßen gegenüber den optischen Sendern anderer Art besondere Vorteile auf. Vor allem ist die Einfachheit der Energieeinspeisung beim optischen Sender mit einem Halbleitermedium ein großer Vorteil, da über die elektrische Energiezuführung in einfacher Weise eine Modulation der Strahlung vorgenommen werden kann.Optical transmitters with a semiconductor medium are known to have opposite the other types of optical transmitters have particular advantages. Most of all is the simplicity the energy supply in the case of an optical transmitter with a semiconductor medium is a large one The advantage is that modulation is carried out in a simple manner via the electrical energy supply the radiation can be made.

Wie weiter bekannt ist, besteht ein optischer Sender mit einem Halbleitermedium aus einer Diode, die im Bereich ihres pn-Überganges sehr hoch dotiert ist.As is further known, there is an optical transmitter with a semiconductor medium from a diode which is very highly doped in the area of its pn junction.

Wenn die Anzahl der stimulierten Emissionsvorgänge größer ist als die Anzahl der Absorptionsvorgänge und groß ist gegenüber der Anzahl spontaner Emissionsvorgänge, dann sind die Bedingungen eines optischen Senders mit einem Halbleitermedium erfüllt. Ein Erhöhen des Betriebsstromes und die damit bewirkte Erhöhung der Ladungsträgerinjektion auf einen Wert oberhalb des Schwellenstromes verursacht eine gleichphasige Strahlungsanregung und die Kohärenz der emittierten Strahlung. Die emittierte Strahlung ist dabei in ihrer Amplitude nicht nur von der zugeführten elektrischen Energie abhängig, sondern auch von der Größe der Fläche des pn-Überganges und der im räumlich ausgedehnten pn-Übergang durch die Reflektorwirkung der zum pn-übergang senkrechten, gegenseitig planparallelen Begrenzungsflächen erzielten stehenden Wellen. Die Strahlung wird senkrecht zu dem an die Oberfläche tretenden pn-übergang in der Ebene der pn-übergangsfläche nach außen emittiert und weist eine der Ausdehnung des an die Oberfläche tretenden pn-überganges gemäße Austrittsfläche auf.When the number of stimulated emissions is greater than the number of absorption processes and is large compared to the number of spontaneous emission processes, then the conditions of an optical transmitter with a semiconductor medium are met. An increase in the operating current and the resulting increase in charge carrier injection to a value above the threshold current causes in-phase radiation excitation and the coherence of the emitted radiation. The emitted radiation is in their amplitude not only depends on the electrical energy supplied, but also on the size of the area of the pn-junction and that of the spatially extended one pn junction due to the reflector effect of the mutually perpendicular to the pn junction plane-parallel boundary surfaces achieved standing waves. The radiation will perpendicular to the pn junction emerging at the surface in the plane of the pn junction area emitted to the outside and has one of the extension of the emerging to the surface pn-junction according to the exit surface.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Strahlungsintensität eines optischen Senders mit einem Halbleitermedium gegenüber bekannten Ausführungsformen zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, daß ein pn-Übergang als. Kegelstumpfmantelfläche im Innern eines kegelstumpfförmigen Halbleitermediums ausgebildet ist und daß die symmetrisch zur Kegelachse verlaufenden Abschlußflächen des Mediums den Kegelstumpfmantel bzw. die pn-Übergangsfläche senkrecht schneiden, so daß die pn-Übergänge dieser Schnittfläche einen geschlossenen Kurvenzug bilden.The object on which the invention is based is to determine the radiation intensity an optical transmitter with a semiconductor medium compared to known embodiments to increase. This is achieved in that a pn junction as. Truncated cone surface is formed inside a frustoconical semiconductor medium and that the symmetrical to the cone axis extending end surfaces of the medium the truncated cone jacket or the pn junction area cut perpendicularly so that the pn junctions of this Form a closed curve.

An Hand von zwei schematischen Darstellungen in den F i g. 1 und 2 wird die Erfindung erläutert.With the aid of two schematic representations in FIGS. 1 and 2 the invention is explained.

Ein kegel- oder kegelstumpfförmiger, vorzugsweise rotationssymmetrischer Körper 1 aus p- oder n-leitendem Halbleitermaterial wird in einem der bekannten Diffusions-, Legierungs- oder Epitaxieverfahren behandelt. Beispielsweise entsteht beim Diffusions-bzw. Legierungsverfahren in einer zu bestimmenden Tiefe unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein in sich vollständig geschlossener pn-Übergang 2 als genaue Abbildung der vom Halbleiterkörper vorgegebenen äußeren Form. Mit einer bei der mechanischen Bearbeitung von Halbleiterelementen bereits bewährten Methode wird der kegelstumpf- oder kegelförmige, rotationssymmetrische Halbleiterkörper in der Weise bearbeitet, daß gemäß der Schnittlinie 3 und 4 der in sich geschlossene pn-übergang an den beiden Abschlußflächen als kreisförmiger, geschlossener Kurvenzug 2' an die Oberfläche tritt. Die pn-übergangsfläche weist somit die Form eines Kegelstumpfmantels auf. Die gegebene Form des Halbleiterkörpers legt mit dessen entsprechender pn-Übergangsfläche und deren Ausdehnung eine große abstrahlende Fläche fest.A conical or frustoconical, preferably rotationally symmetrical Body 1 made of p- or n-conducting semiconductor material is in one of the known Treated diffusion, alloy or epitaxial processes. For example arises with diffusion or. Alloying process at a depth to be determined below the Surface of the semiconductor body is a completely closed pn junction 2 as an exact illustration of the external shape given by the semiconductor body. With a already proven method in the mechanical processing of semiconductor elements becomes the truncated or conical, rotationally symmetrical semiconductor body processed in such a way that according to the section line 3 and 4 of the self-contained pn junction at the two end faces as a circular, closed curve 2 'comes to the surface. The pn junction area thus has the shape of a truncated cone jacket on. The given shape of the semiconductor body is associated with its corresponding pn junction area and their extension establishes a large radiating surface.

Die Verlängerung der die Strahlung emittierenden pn-Übergangsfläche läuft auf einen Punkt A zusammen, der in der Kegelspitze des vom stumpfkegelmantelförmigen pn-übergang gebildeten Kegels liegt, so daß sich in manchen Verwendungsfällen eine weitere Fokussierung erübrigt oder zumindest vereinfacht.The extension of the radiation-emitting pn-junction area converges to a point A, which is in the apex of the frustoconical envelope pn junction formed cone, so that in some cases of use a further focusing is unnecessary or at least simplified.

Die Abschlußflächen 3' und 4' des Kegelstumpfes werden mit Vorteil so behandelt, daß sie senkrecht zur pn-Übergangsfläche und parallel zur jeweils gegenüberliegenden Abschlußfläche liegen. Durch geeignetes Verspiegeln der Abschlußflächen 3' und 4' wird erreicht, daß die große Abschlußfläche 4' des Halbleiterkörpers 1 teilweise oder vollständig reflektierend und die kleine konkave Abschlußfläche 3' des Halbleiterkörpers 1 nicht oder stets geringer reflektierend als die große Abschlußfläche ist. Die spezielle Ausbildung der Begrenzungsflächen des Kegelstumpfes erzielt bei stetigem Betrieb eine innere optische Kopplung der stimulierten Strahlung.The end surfaces 3 'and 4' of the truncated cone are advantageously treated so that they are perpendicular to the pn junction and parallel to each opposite end face. By appropriate mirroring of the end surfaces 3 'and 4' it is achieved that the large end surface 4 'of the semiconductor body 1 partially or fully reflective and the small concave end surface 3 ' of the semiconductor body 1 is not reflective or always less reflective than the large end surface is. The special design of the boundary surfaces of the truncated cone achieves an internal optical coupling of the stimulated radiation with continuous operation.

Diese innere optische Kopplung kann auch durch eine optische Strahlungsumlenkung und Strahlungsrückführung erzwungen werden. Auf der divergenten Seite B des Halbleiterkörpers 1 kann in vorteilhafter Weise ein bifokales optisches System zur Umlenkung durch Reflexion der emittierten Strahlung in der Weise angebracht werden, daß die emittierte Strahlung erfindungsgemäß in den pn-übergang an anderer Stelle zurückgekoppelt wird.This internal optical coupling can also be achieved by an optical deflection of the radiation and radiation return can be forced. On the divergent side B of the semiconductor body 1 can advantageously use a bifocal optical system for deflection Reflection of the emitted radiation can be attached in such a way that the emitted According to the invention, radiation is fed back into the pn junction at another point.

Ein solches bifokales optisches System, das die geforderten Bedingungen erfüllt, ist ein Ellipsoid bzw. ein Teilellipsoid. Das Ellipsoid ist vorteilhaft so ausgebildet, daß der durch den kegelstumpfförmigen Halbleiterkörper 1 vorgegebene Brennpunkt A zugleich einen der beiden Brennpunkte des Ellipsoids darstellt und daß der zweite Brennpunkt B, B' oder B" des Ellipsoids auf der Rotationssymmetrieachse des kegelförmigen Halbleiterkörpers 1 liegt, wobei die emittierte Strahlung längs eines Kreises, der, senkrecht zur Rotationssymmetrieache gelegen, mit B, B' oder B" als Mittelpunkt durch die Punkte C, C oder C" und D, D' oder D" verläuft, am Ellipsoid mit den Brennpunkten A und B, B' oder B" reflektiert wird. Der BrennpunktB, B' oder B" liegt stets außerhalb des optischen Senders.Such a bifocal optical system which fulfills the required conditions is an ellipsoid or a partial ellipsoid. The ellipsoid is advantageously designed so that the focal point A given by the frustoconical semiconductor body 1 simultaneously represents one of the two focal points of the ellipsoid and that the second focal point B, B 'or B "of the ellipsoid lies on the rotational symmetry axis of the conical semiconductor body 1, the emitted radiation along a circle which, situated perpendicular to the axis of rotational symmetry, with B, B ' or B "as the center, runs through the points C, C or C" and D, D' or D ", on the ellipsoid with the focal points A and B. , B ' or B "is reflected. The focal point B, B' or B" is always outside the optical transmitter.

Der Abstand der beiden Brennpunkte A und B des Ellipsoids ist mindestens gleich der Ausdehnung des kegelförmigen Halbleiterkörpers 1 längs der Rotationssymmetrieachse.The distance between the two focal points A and B of the ellipsoid is at least equal to the extension of the conical semiconductor body 1 along the axis of rotational symmetry.

Das kleinste die Bedingungen erfüllende Ellipsoid bestimmt sich somit aus dem durch den Halbleiterkörper vorgegebenen Winkel des Kegels und dem Abstand der beiden Brennpunkte A und B, von denen der Brennpunkt A durch den Halbleiterkörper fest vorgegeben und der Brennpunkt B . außerhalb des Halbleiterkegels auf der Symmetrieachse desselben in entsprechender Weise wählbar ist.The smallest ellipsoid that fulfills the conditions is thus determined from the angle of the cone given by the semiconductor body and the distance between the two focal points A and B, of which the focal point A is fixed by the semiconductor body and the focal point B is fixed. outside the semiconductor cone on the symmetry axis of the same can be selected in a corresponding manner.

Claims

Claims: 1. Optical transmitter with a semiconductor medium, whose @ pn transition zone forms a closed outer surface, which means that the pn junction as a truncated conical surface (2) inside a frustoconical Semiconductor body (1) is formed and that the symmetrical to the cone axis (A-B) running end surfaces (3 'and 4') of the semiconductor body (1) form the truncated cone jacket or .. cut the pn transition surface (2) vertically so that the pn transitions .these Cut surfaces (3 ', 4') form a closed curve (2 ').

2. Optical transmitter according to claim 1, characterized in that the large convex end surface (4 ') of the semiconductor body (1) is partially or completely reflective by suitable mirroring.

3. Optical transmitter according to claim 2, characterized in that that the small concave end surface (3 ') of the semiconductor body (1) by suitable Mirroring is always less reflective than the large end surface (4 ').

4. Optical transmitter according to claim 1 to 3, characterized in that one with a bifocal optical system on the divergent side (B) of the truncated semiconductor cone (1) External radiation deflection and reflection achieved an internal optical coupling forcing radiation.

5. Optical transmitter according to claim 4, characterized in that that the bifocal optical system is an ellipsoid or a partial ellipsoid.

6. Optical Transmitter according to claim 4 and 5, characterized in that the ellipsoid is through the from the frustoconical semiconductor body (1) predetermined focal point (A), which at the same time which is one focal point of the ellipsoid, and by a second, outside on the Axis of rotational symmetry of the conical semiconductor body (1) lying focal point (B) is determined.

7. Optical transmitter according to claim 6, characterized in that the distance between the two focal points (A and B) of the ellipsoid is at least equal to the extension of the conical semiconductor body (1) along the axis of rotational symmetry. Documents considered: German Patent No. 1052 563; »Elektro-Technik« from April 13, 1963, No. 10, pp. 12 to 14.