DE1212637B

DE1212637B - Arrangement for modulating very short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1212637B
Application number: DEC30131A
Authority: DE
Inventors: Jean Grosvalet
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1962-06-08
Filing date: 1963-06-07
Publication date: 1966-03-17

Description

Anordnung zur Modulation sehr kurzer elektromagnetischer Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Modulation eines Bündels sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, insbesondere einer Infrarotstra'hlung, mit einem im Weg des Bündels angeordneten Halbleiterkörper mit zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, zwischen denen eine das Modulationssignal enthaltende Spannung derart in der Durchlaßrichtung angelegt wird, daß in die eine Zone Minoritätsträger injiziert werden.Arrangement for modulating very short electromagnetic waves Die The invention relates to an arrangement for modulating a beam of very short lengths electromagnetic waves, in particular infrared radiation, with an im Semiconductor body arranged away from the bundle with two zones of opposite conductivity type, between which a voltage containing the modulation signal so in the forward direction is applied that minority carriers are injected into one zone.

Bei diesen Anordnungen hängt die Absorption der durch diese Zone gehenden Infrarotstrahlung von der Konzentration der injizierten Ladungsträger ab; man kann daher das Bündel durch Veränderung der Vorspannung modulieren. Die bekannten Anordnungen dieser Art ergeben den Nachteil, daß sie nur für verhältnismäßig niedrige Modulationsfrequenzen geeignet sind, weil die Modulationszeitkonstante im wesentlichen durch die Lebensdauer der Minoritätsträger bestimmt ist.In these arrangements, the absorption depends on that passing through this zone Infrared radiation from the concentration of the injected charge carriers; one can therefore modulate the bundle by changing the bias. The known arrangements this type have the disadvantage that they are only suitable for relatively low modulation frequencies are suitable because the modulation time constant is essentially determined by the service life the minority holder is determined.

Es sind andrerseits Modulationsanordnungen dieser Art bekannt, bei denen die das Modulationssignal enthaltende Spannung in der Sperrichtung angelegt wird. Die Anordnung arbeitet dann nicht mit injizierten Minoritätsträgern. Es können dann sehr viel höhere Modulationsfrequenzen angewendet werden; dafür ist aber die Wirksamkeit auf die unmittelbare Nähe des pn-Übergangs beschränkt, während die übrigen Teile des Halbleiterkörpers zur Unterdrückung des Hintergrundrauschens gegebenenfalls abgedeckt werden müssen.On the other hand, modulation arrangements of this type are known at to which the voltage containing the modulation signal is applied in the reverse direction will. The arrangement then does not work with injected minority carriers. It can then much higher modulation frequencies are used; but that's what Effectiveness limited to the immediate vicinity of the pn junction, while the rest Parts of the semiconductor body for suppressing the background noise, if necessary need to be covered.

Demgegenübre liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit Injektion von Minoritätsträgern arbeitende Anordnung der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, das diese mit wesentlich höheren Modulationsfrequenzen betrieben werden kann.In contrast, the invention is based on the object of providing one with injection to further develop the arrangement of the type mentioned above that works by minority groups, that this can be operated with much higher modulation frequencies.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in der Zone, in welche durch die Spannung Minoritätsträger injiziert werden, ein elektrisches Feld erzeugt wird, das so gerichtet ist, daß es die Minoritätsträger beschleunigt.According to the invention this is achieved in that in the zone in which are injected by the voltage minority carriers, an electric field which is directed to accelerate the minority carriers.

Die Maßnahme nach der Erfindung ergibt die Wirkung, daß die gleiche Diffusionslänge mit Minoritätsträgern von kürzerer Lebensdauer erreicht werden kann. Da diese Lebensdauer die Modulationszeitkonstante bestimmt, ist eine entsprechende Erhöhung der Modulationsfrequenz möglich.The measure according to the invention gives the effect that the same Diffusion length can be achieved with minority carriers of shorter life. Since this lifetime determines the modulation time constant, it is a corresponding one The modulation frequency can be increased.

Eine erste Möglichkeit zur Erzeugung des elektrischen Feldes besteht darin, daß eine äußere Spannungsquelle an zwei Kontakte angeschlossen ist, die im Abstand voneinander an der Zone angebracht sind, in welche die Minoritätsträger injiziert werden.There is a first possibility of generating the electric field in that an external voltage source is connected to two contacts that are im Spaced from each other are attached to the zone in which the minority carriers injected.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung des elektrischen Feldes besteht darin, daß die Störstoffatome in der Zone, in welche die Minoritätsträger.injiziert werden, ungleichmäßig verteilt sind.There is another possibility of generating the electric field in that the impurity atoms in the zone into which the minority carriers are injected are unevenly distributed.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 das Prinzipschema einer nach der Erfindung ausgeführten Halbleiteranordnung, F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise, F i g. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der prinzipiellen Anordnung von F i g. 1 und F i g. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der prinzipiellen Anordnung von F i g. 1.Embodiments of the invention are shown in the drawing. In it, F i g. 1 shows the basic diagram of a semiconductor arrangement designed according to the invention, F i g. 2 shows a diagram to explain the mode of operation, FIG. 3 a schematic Representation of a first embodiment of the basic arrangement of FIG. 1 and F i g. 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the basic one Arrangement of FIG. 1.

F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang, der in der Durchlaßrichtung durch eine Spannung V vorgespannt ist.F i g. 1 shows a semiconductor body with a pn junction, which is shown in FIG the forward direction is biased by a voltage V.

Eine Infrarotstrahlung geht durch die Halbleiterzone hindurch, in welche auf Grund der Vorspannung V Minoritätsträger injiziert werden (bei dem dargestellten Beispiel also die n-Zone).Infrared radiation passes through the semiconductor zone, in which minority carriers are injected due to the bias voltage V (in the case of the illustrated Example the n-zone).

Erfindungsgemäß läßt man in dieser Halbleiterzone durch Einrichtungen, die später noch angegeben werden, ein elektrisches Feld E erzeugen, das so gerichtet ist, daß es die Minoritätsträger beschleunigt.According to the invention, in this semiconductor zone, devices which will be specified later, generate an electric field E, which is directed in this way is that it speeds up the minority carriers.

Die ausgezogene Kurve von F i g. 2 zeigt die Konzentration dieser Ladungsträger an einem Punkt M dieser Zone als Funktion des Abstandes x dieses Punktes von dem Injektionsgebiet. Die strichpunktierte- Kurve zeigt die gleiche Erscheinung, wie sie beim Fehlen des elektrischen Feldes E in dieser Zone auftreten würde.The solid curve of FIG. 2 shows the concentration of these Charge carriers at a point M in this zone as a function of the distance x from this point from the injection area. The dash-dotted curve shows the same phenomenon as in the absence of the electric field E in this zone would occur.

Es ist offensichtlich, daß die im ersten Fall erhaltene DiffusionslängeLi beträchtlich größer als die dem zweiten Fall entsprechende Diffusionslänge L2 ist. Das elektrische Feld hat gewissermaßen die Wirkung, daß das Paket der Minoritätsträger (im betreffenden Fall also das Löcherpaket) in der von der Infrarotstrahlung durchquerten Halbleiterzone --ausgebreitet wird.It is evident that the diffusion length Li obtained in the first case is considerably greater than the diffusion length L2 corresponding to the second case. The electric field has the effect, so to speak, that the package of minority carriers (in the case in question the packet of holes) in the area traversed by the infrared radiation Semiconductor zone - is expanded.

Gerade in diesem Abschnitt L1 der Zone wird aber die Infrarotstrahlung in nicht vernachlässigbarer Weise von dem Halbleiter absorbiert.But it is precisely in this section L1 of the zone that the infrared radiation is absorbed by the semiconductor in a non-negligible manner.

Bekanntlich liegt nämlich die Energie hv einer solchen Strahlung "noriualeweise unter der Energie Eg des verbotenen Bandes im Innern des Halbleiters, so daß schließlich die Absorption praktisch nur in dem Gebiet auftritt, in dem eine gewisse Konzentration der injizierten Ladungsträger herrscht. Die Absorption hängt im übrigen, von .dieser Konzentration ab, die ihrerseits wiederum von V abhängig ist, so daß man schließlich durch Modulation der Spannung V die Intensität des aus dem Halbleiterkörper austretenden Infrarotbündels modulieren kann.As is well known, the energy hv of such a radiation is "normal" under the energy Eg of the forbidden band inside the semiconductor, so that finally the absorption occurs practically only in the area in which a certain concentration the injected charge carrier prevails. Incidentally, the absorption depends on this Concentration, which in turn depends on V, so that one finally by modulating the voltage V, the intensity of the emerging from the semiconductor body Can modulate infrared beam.

Die Erfindung ermöglicht eine Modulation mit einer sehr viel höheren Frequenz.The invention enables modulation at a much higher rate Frequency.

Dieses experimentell festgestellte Ergebnis läßt sich auch theoretisch genau durch die zuvor angegebene Vergrößerung der Diffusionslänge erläutern, die dann erhalten wird, wenn ein die Minoritätsträger beschleunigendes elektrisches Feld im Innern der die Modulation bewirkenden Halbleiterzone herrscht.This experimentally determined result can also be theoretically explain exactly by the previously indicated increase in the diffusion length, the is obtained when an electric accelerating the minority carriers Field prevails in the interior of the semiconductor zone causing the modulation.

Eine praktische Bedingung für den Betrieb einer Modulatoranordnung dieser Art ist nämlich: Darin ist f die Modulationsfrequenz, x die Lebensdauer der Minoritätsträger.A practical condition for the operation of a modulator arrangement of this type is namely: Here f is the modulation frequency, x the lifetime of the minority carriers.

Außerdem gilt: wobei mit D der Diffusionskoeffizient der in den Halbleiter injizierten Minoritätsträger bezeichnet ist.In addition, the following applies: where D denotes the diffusion coefficient of the minority carriers injected into the semiconductor.

Aus der Ungleichung (1) folgt, daß zur Erhöhung von feine Verringerung von e erforderlich ist. Man ist jedoch gewöhnlich in dieser Hinsicht dadurch beschränkt, daß, wie die Gleichung (2) zeigt, eine Verringerung von z eine Verringerung von L zur Folge hat.It follows from inequality (1) that to increase fine decrease of e is required. But one is usually limited in this regard by that, as equation (2) shows, a decrease in z decreases in L entails.

Die Erfindung ermöglicht die Verringerung von z ohne übermäßige Verminderung der Diffusionslänge, da diese, wie zuvor gezeigt wurde, einen Wert L1 annimmt, der größer als der durch die Gleichung (2) gegebene Wert L2 ist. . Es ist also schließlich möglich, die Modulationsfrequenz dadurch zu erhöhen, daß ein Halbleiter gewählt wird, in welchem die injizierten Minoritätsträger eine geringe Lebensdauer haben.The invention enables z to be reduced without undue reduction the diffusion length, since, as was shown before, this assumes a value L1 which is is larger than the value L2 given by the equation (2). . So it is finally possible to increase the modulation frequency by choosing a semiconductor in which the injected minority carriers have a short lifetime.

' F i g. 3 zeigt schematisch eine erste Maßnahme zur Erzeugung des Feldes E. Diese besteht darin, daß an die modulierende Halbleiterzone 1 (die beispielsweise vom Leitfähigkeitstyp n ist) eine von einer Quelle 2 gelieferte Gleichspannung angelegt wird. Die Modulatorspannung V wird zwischen einem Kontakt 3 vom Typ p oder vom Typ n+ und einer Halbleiterzone 4 vom Typ p angelegt, welche mit der Zone 1 einen injizierenden Übergang bildet.'F i g. 3 schematically shows a first measure for generating the Field E. This consists in that the modulating semiconductor zone 1 (for example of conductivity type n) a direct voltage supplied by a source 2 is applied will. The modulator voltage V is between a contact 3 of the type p or of the type n + and a semiconductor zone 4 of the type p applied, which with zone 1 is an injecting Transition forms.

F i g. 4 zeigt schematisch eine zweite Maßnahme zur Erzeugung eines Feldes E im Innern der modulierenden Halbleiterzone 5. Diese Maßnahme besteht alärin, däß die- Donator- Oder Akzeptoratome im Innern dieser Zone so verteilt werden, daß ein inne= res Feld erzeugt wird.F i g. 4 schematically shows a second measure for generating a Field E in the interior of the modulating semiconductor zone 5. This measure consists of that the donor or acceptor atoms are distributed in the interior of this zone in such a way that an inner field is generated.

Bei dem zuvor angenommenen Fall, daß die Zone S den allgemeinen Leitfähigkeitstyp n hat, wird, diese Zone beispielsweise so realisiert, daß die Konzentration der Donatoratome vom Übergang 6, der zu der p-Zone 7 führt, zum Kontakt 8 hin derart regelmäßig abnimmt, daß die Zone 5 in der Nähe des Übergangs 6 genauer vom Typ n-I- und in der Nähe des Kontakts 8 vom Typ n ist.In the case previously assumed that the zone S has the general conductivity type n has, this zone is realized, for example, so that the concentration of Donor atoms from the junction 6, which leads to the p-zone 7, to the contact 8 in this way regularly decreases that the zone 5 in the vicinity of the transition 6 more precisely of the type n-I- and in the vicinity of the contact 8 is of type n.

Claims

Claims: 1. Arrangement for modulating a beam very short electromagnetic waves, especially infrared radiation, with one in the way of the bundle arranged semiconductor body with two zones of opposite conductivity = type; between which a voltage containing the modulation signal so in the Forward direction is applied that injected minority carriers into the one zone be, d a d u r c h, that in the zone in which by the tension Minority carriers are injected, an electric field is generated which is directed in this way is that it accelerates the minority carriers.

2. Arrangement according to claim 1, characterized characterized in that an external voltage source is used to generate the electric field (2) is connected to two contacts which are attached to the zone at a distance from each other into which the minority carriers are injected.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the impurity atoms to generate the electric field unevenly distributed in the zone into which the minority carriers are injected are. References considered: U.S. Patent No. 2,929,923.