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Einrichtung zum Modulieren einer elektromagnetischen Strahlung in
einer Festkörpervorrichtung Die Entwicklung von Festkörpervorrichtungen zur Erzeugung
optischer Energie befindet sich im raschen Fortschreiten ' und es besteht
ein dringendes Bedürfnis nach einer Methode zur leichten Modulation einer solchen
optischen Energie. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine
solche Methode anzugeben.
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Es ist bereits eine Einrichtung zum Modulieren einer elektromagnetischen
Strahlung unter Verwendung eines festen Körpers als Medium, das der Wirkung einer
elastischen Beanspruchung ausgesetzt ist, bekanntgeworden.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß hierbei die Modulation durch
die Wirkung einer elektrischen Verformung eines Halbleiterkörpers auf die Breite
des verbotenen Energiebandes erzielt wird.
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Bei der Ausübung des Erfindungsgedankens wird die Modulation der elektromagnetischen
Strahlung selektiv durch elastische Deformation einer Zone eines Halbleiterelementes,
durch welche sich die Strahlung fortpflanzt, gewonnen. Die Erklärung der Arbeitsweise
der Erfindung setzt die Kenntnis der Bändertheorie der Energiestruktur der Halbleiterkristalle
voraus.
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Die Auswertung der Angaben aus einer Gruppe bekanntgewordener Experimente
brachte zum Vorschein, daß die Einführung einer elastischen Spannung in einen Bereich
eines Halbleiterelementes zu einer Änderung der Breite seines verbotenen Bandes
führt. Die Auswertung der Angaben aus einer anderen Gruppe bekanntgewordener Experimente
ergab, daß der Absorptionsgrad der elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich
eines Halbleiterelementes, durch den sich die Strahlung fortpflanzt, auf die Breite
seines verbotenen Energiebandes bezogen ist.
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Es ist danach anzunehmen, daß die einer Zone eines Halbleiterelementes
aufgeprägte mechanische Spannung in übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken den
Grad der Absorption der in dieser Zone fortschreitenden Strahlung verändert. Mit
größerer Wahrscheinlichkeit dürfte ein Lichtquarrt in einem Halbleiterkristall absorbiert
werden, dessen verbotenes Energieband eher kleiner als größer ist als die Energie
des Quants.
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Wenn die Einführung einer Spannung in ein Halbleiterelement die Absorption
von Licht, das anderweitig den Halbleiter passieren würde, verursacht, so kann die
Spannung so angesehen werden, als ob sie die Breite des verbotenen Energiebandes
kleiner macht gegenüber jenem Zustand, wo die Spannung fehlte, und umgekehrt. Gewisse
bekannte Experimente haben den Beweis erbracht, daß von bestimmten Gallium-Arsenidübergängen
eine sehr wirksame Rekombinationsstrahlung erreichbar ist. Im Hinblick auf die Energiebändertheorie
der Energiestruktur der Halbleiterkristalle kann man annehmen, daß die Quelle der
Strahlung sich innerhalb des verbotenen Bandes befindet, wo ein Donatoren-Störniveau
dicht bei der Kante des Leitungsbandes und ein Akzeptor-Störniveau dicht an der
Kante des Valenzbandes liegt.
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Da die Masse des Gallium-Arsenid-Halbleiterkristalls, in welcher sich
die Rekombinationsstrahlung bis zur Oberfläche fortpflanzt, dieses Niveau nicht
aufweist, kann man annehmen, daß dort die Breite des verbotenen Energiebandes zu
groß ist für eine ausgeprägte Schwächung der Strahlung.
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Die erörterte Bändertheorie der Energiestruktur von Halbleiterkristallen
zieht ein verbotenes Energieband in jedem Kristall zwischen einem Valenz-Energieband
und einem Leitungs-Energieband in Betracht. Diese Bänder sind bezeichnend für die
verfügbaren Energiezustände der Elektronen. Sie zeigen jedoch nicht an, ob Elektronen
mit diesen Energien vorhanden sind. Die Wahrscheinlichkeit für ein Elektron, mit
einer gegebenen Energie in einem besonderen Zustande zu sein, hat Bezug auf die
Natur des Kristalls und seiner Temperatur.
In einem Halbleiterkristall
bildet sich in einem ebenen Bereich dieses Kristalls ein pn-übergang aus,
wenn eine relative Konzentration von n-Typ-Donator-Störatomen auf der einen
Seite der Ebene einer relativen Konzentration von p-Typ-Akzeptor-Störatomen auf
der anderen Seite der Ebene gegenübersteht.
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Durch die Anlegung eines äußeren Potentials tritt eine Leitung von
Elektronen und Löchern über den pn-Übergang eines Halbleiters auf. Ist die Polarität
des angelegten Potentials derart, daß das durch den pn-übergang selbst gebildete
Sperrpotential reduziert wird, dann ist die Leitfähigkeit relativ hoch, und
umgekehrt. Jedesmal, wenn Ladungsleitung über den pn-übergang eines Halbleiters
stattfindet, wird als Folge dieses Vorganges Energie frei gemacht. Die Energie tritt
als Wärmeenergie in Form der Elektronenbewegung und der Kristallgitterbewegung auf,
oder sie kann auch als Rekombinationsstrahlung in Erscheinung treten.
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Ein Quantum der Rekombinationsstrahlung b&-sitzt generell eine
Energie, welche gleich der Energie im Raum zwischen dem Elektron und dem Defektelektron,
die beide 'tekombinieren, ist. Unter gewissen Umständen wird etwas Energie als Wärme
abgeleitet werden, und das Quant wird weniger Energie haben.
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Die Erfindung wird in vorteilhafter Weise zur Modulation des Kollektorstromes
eines elektrooptischen Transistors verwertet.
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Bei solch einem Transistor wird die Photoneninjektion am pn-übergang
des Kollektors nutzbar gemacht. Durch Absorption der Photonen werden am pn-übergang
Elektrön-Loch-Paare gebildet und diese dort durch das elektrische Feld unter der
Kraft des angelegten Potentials getrennt. Die Pholonen werden durch - Rekombination
von Elektron-Loch-Paaren an einem anderen pn-übergang im Transistor erzeugt. Im
Fall der Erfindung wird ein Bereich des Transistors, in welchem sich die Photonen
ausbreiten, selektiv elastisch beansprucht, wodurch der Kollektorstrom moduliert
wird.
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Als Informationsunterlage über die Beziehung zwischen: der aufgeprägten
elastischen Spannung und der Art des verbotenen Energiebahdes in einem Halbleitermaterial
kann folgende Veröffentlichung dienen: W. Paul, »Band Structure of the Intermetallic
Semiconductor from Pressure Experiments«, Journal of Applied Physics, Supplement
to Vol. 32, Nr. 10
(Oktober 1961), S. 2082 bis 2094.
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Über die Beziehungen zwischen der Rekombinationsstrahlung an einem
pn-übergang eines Halbleiters und der Natur des verbotenen Energiebandes im Halbleiter
geben folgende Literaturstellen Aufschluß: a) Y.J. Pankove und M.Y. Massoulie, »Injection
Luminescence from GaRium Arsenide«, Bulletin of the Ameriäan Physical Society, Vol.
7
(Januar 1962), S. 88,
b) R. Y. K e y e s und T. M. Q
u i s t, »Recombination kadiation Emitted by Gallium Arsenide«, Proceedings of the
IRE, Vol. 50 (August 1962),
S. 1822 und 1823.
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F-in Grundlagenbuch von allgelüeinem Interesse ist: T. S. Moss,
»Photoconductivity in the Elements«, Academic Press, Inc., 1952.
Es ist Aufgabe
der Erfindung, eine Apparatur und eine Methode für die elektromagnetische Strahlungsmodulation
durch selektive elastische Beanspruchung eines Bereiches in einem Halbleiterelement,
durch das sich die Strahlung fortpflanzt, zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe
der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren für die Modulation einer am pnübergang
in einem Halbleiterbauelement erzeugten Rekombinationsstrahlung durch selektive
elastische Beanspruchung eines dort benachbarten Bereiches zu schaffen, durch welchen
sich die Strahlung ausbreitet.
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Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Apparatur
und einer Methode zur Modulation einer am pn-übergang in einem Halbleiterbauelement
aus Gallium-Arsenid erzeugten Rekombinationsstrahlung durch selektive elastische
Beanspruchung einer dortigen Nachbarzone, durch welche sie sich fortpflanzt.
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Es ist eine vierte Aufgabe, der Erfindung, eine Einrichtung und ein
Verfahren zur Modulation von Rekombinationsstrahlung, welche am pn-übergang in einem
Halbleiterelement erzeugt wird, durch selektive Beanspruchung eines Abschnittes
des Elements nahe seiner Oberfläche, durch welche die Strahlung sich fortpflanzt,
zu schaffen.
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Es ist eine fünfte Aufgabe der Erfindung, Einrichtung und Methode
für eine selektiv absorbierende Rekombinationsstrahlung, welche sich an einem pnübergang
in einem Halbleiterelement bildet, durch selektive elastische Beanspruchung eines
dortigen Nachbarabschnittes zu schaffen. In dem Nachbarabschnitt sind selektiv Störstellen
gebildet, welche Elektron-Loch-Paare verursachen. Diese werden durch die Absorption
der Strahlung erzeugt und rekombinieren durch strahlungslose Vorgänge.
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Es ist eine sechste Aufgabe der Erfindung, eine Apparatur zu schaffen
und ein Verfahren anzugeben zur Modulation der Rekombinationsstrahlung aus einem
pn-übergang eines Halbleiterelements, und zwar durch selektive elastische Beanspruchung
eines Nachbarabschnittes, durch welchen die Strahlung hindurchtritt. In dem Nachbarabschnitt
sind Störstellen gebildet, deren Energieniveaus innerhalb des verbotenen Energiebandes
liegen. Sie liegen etwas weiter weg von den Bandkanten, als es die vergleichbaren
Niveaus innerhalb des verbotenen Bandes an dem strahlenden pn-übergang sind, wodurch
die Absorption der durch die Nachbarzone sich fortpflanzenden Strahlung reduziert
wird.
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Eine siebente Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines
übertragers, mit dem modulierte akustische Energie in modulierte optische Energie
umgewandelt wird. Es ist eine achte Aufgabe der Erfindung, einen übertrager zu schaffen,
in welchem modulierte akustische Energie in modulierte optische Energie durch selektive
elastische Beanspruchung eines Bereiches in einem Halbleiterelement, durch den die
an einem pn-übergang im Halbleiter erzeugte Rekombinationsstrahlung sich ausbreitet,
umgewandelt wird.
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Es ist eine neunte Aufgabe der Erfindung, einen übertrager zu schaffen,
in welchem modulierte akustische Energie durch selektive elastische Beanspruchung
eines Homojunction-Kollektors in einem elektrooptischen Transistor in modulierte
optische Energie umgewandelt wird. Nach einer zehnten Auft' Clabe der Erfindung
wird eine Apparatur und ein Verfahren
zur Modulation des Kollektorstromes
eines elektrooptischen Transistors durch selektive elastische Beanspruchung einer
Zone in diesem Transistor geschaffen.
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Es ist eine elfte Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und eine
Methode zur Modulation des Kollektorstromes eines elektrooptischen Transistors anzugeben,
wobei ein heterogener pn-übergang mit Ge-GaAs verwendet wird und wobei eine selektive
elastische Beanspruchung des Transistorbereiches stattfindet, durch welchen sich
Photonen zum Kollektor fortpflanzen. Es ist ferner eine zwölfte Aufgabe der Erfindung,
eine Apparatur und eine Methode für die Modulation der Rekombinationsstrahlung anzugeben,
welche von der angeregten Emission an einem pn-Übergang eines Halbleiters herrührt.
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Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen für einige beispielsweise
Ausführungsformen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung für die Beanspruchung
eines Bereiches eines Halbleiterelementes, in welchem sich elektromagnetische Strahlung
ausbreitet, durch einen hydraulischen Druck; F i g. 2 zeigt die Energiebandstruktur
eines Halbleiterkristalls; F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen dem Verhältnis der Intensitäten der Eingangs- und der Ausgangsstrahlung
und der Breite des verbotenen Energiebandes eines Halbleiterabschnittes, durch den
sich die Strahlung fortpflanzt; F i g. 4 a ist eine graphische Darstellung
der Beziehung zwischen der Breite des verbotenen Energiebandes und der eingeführten
Beanspruchung bei einem Halbleiterelement der Klasse A;
F i g. 4
b ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Breite des verbotenen
Energiebandes und der eingeführten Beanspruchung bei einem Halbleiterelement der
Klasse B; F i g. 5 a zeigt die Energiebandstraktur eines n-Typ-Halbleiters
bei Vorhandensein eines Donator-Energieniveaus infolge der Gegenwart von Donator-Störatomen
im Halbleiter; F i g. 5 b zeigt die Energiebandstruktur eines p-Typ-Halbleiters
bei Vorhandensein eines Akzeptor-Energieniveaus infolge Gegenwart von Akzeptor-Störatomen
im Halbleiter; F i g. 6 bezieht sich auf die Rekombinationsstrahlung, die
von einem pn-übergang im Halbleiterelement herrührt, wenn der pn-übergang in der
Durchlaßrichtung vorgespannt ist; F i g. 7 ist eine graphische Darstellung
der Energiebandstruktur eines Halbleiters mit in Durchlaßrichtung vorgespanntem
pn-übergang und zeigt die Bewegung der Elektronen und der Löcher durch den pn-übergang;
F i g. 8 zeigt -einen elektrooptischen Transistor, in welchem die aus Photonen
bestehende Rekombinationsstrahlung, die sich zum Kollektor hin ausbreitet, durch
Anwendung einer elastischen Beanspruchung moduliert wird. Die Beanspruchung findet
in einem Abschnitt statt, durch den sich die Strahlung fortpflanzt, wodurch der
Kollektorstrom moduliert wird; F i g. 9 zeigt einen übertrager für die Umwandlung
modulierter akustischer Energie in modulierte optische Energie; F i g. 10
zeigt ein Halbleiterelement mit Biegungsbeanspruchung zum Zweck der Modulation elektromagnetischer
Strahlung, welche sich im Halbleiterkörper ausbreitet.
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Generell wird bei der Erfindung eine Modulation einer Strahlung durch
selektive elastische Deformationsbeanspruchung einer Festkörpervorrichtung erhalten,
durch welche sich die Strahlung ausbreitet. Insbesondere wird bei der Erfindung
die Modulation einer Rekombinationsstrahlung erhalten, die von einem pn-übergang
in einem Halbleiterelement durch selektive elastische Beanspruchung eines dortigen
Nachbarabschnittes, durch den sich die Strahlung fortpflanzt, herrührt. Noch weitergehend
wird bei der Erfindung speziell die Modulation von Rekombinationsstrahlung, die
vom Gallium-Arsenid-pn-übergang in einem Halbleiterelement herrührt, durch selektive
elastische Beanspruchung eines Nachbarbereiches, durch den sich die Strahlung ausbreitet,
erhalten, In F i g. 1 ist mit 10 ein Halbleiterelement bezeichnet,
das in einer Kammer 12 untergebracht ist. In der Kammer 12 befindet sich eine Flüssigkeit
14. Die Flüssigkeit 14 in der Kammer 12 ist einem hydraulischen Druck durch Anwendung
einer Kraft F am Kolben 17 ausgesetzt. Auf diese Weise bildet sich in der
Flüssigkeit ein gleichmäßiger Druck aus, und ein gleichförmiger Druck wird dem Halbleiterelement
10
aufgeprägt. Die Spannung im Halbleiterelement 10
ist durch den Spannungsvektor
S am Umfang eines gedachten Kreises 18 dargestellt.
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Die elektromagnetische Strahlung 20 mit den Quanten 22 pflanzt sich
nach F i g. 1 auf die Oberfläche 24 des Halbleiterelements 10 zu fort.
Von der Oberfläche 30 des Halbleiterelements 10 pflanzt sich die elektromagnetische
Strahlung 26 mit den Quanten 28 fort.
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Die Ausübung des Erfindungsgedankens schließt die Modulation der elektromagnetischen
Ausgangsstrahlung am Halbleiterelement 10 durch selektive Anwendung der Kraft
F am Kolben F ein, wodurch die sich ändernde Spannung S dem Halbleiterelement
10 zugeführt wird. Der physikalische Mechanismus bei der Modulation der Strahlung
20 im Halbleiter 10
kann mit der Bändertheorie der Energiestruktur
der Halbleiterkristalle erklärt werden.
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In F i g. 2 ist ein Halbleiterelement 10 mit seiner
Energiebandstraktur 32 dargestellt, die sich innerhalb seiner Grenzen ausbildet.
Die vertikale Achse stellt die Elektronenenergie E dar. Die Bandstruktur
enthält ein Valenzband 34, ein verbotenes Band 36 und ein Leitungsband
38. Das Ferminiveau Of befindet sich innerhalb des verbotenen Bereiches.
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Die Breite der Energielücke der verbotenen Zone ist in der Zeichnung
durch den Doppelpfeil W angedeutet. Die funktionelle Beziehung zwischen der Breite
des verbotenen Bereichs und dem Betrag der Strahlung, welche sich von der Oberfläche
30 ausbreitet, wird in Zusammenhang mit F i g. 3 verständlich werden.
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In F i g. 3 stellt die Vertikalachse das Verhältnis der Intensität
I, der Ausgangsstrahlung 26 zur Intensität Il der Eingangsstrahlung 20 dar.
Dieses Verhältnis ist über der Breite W für die verbotene Zone graphisch aufgetragen.
Die entsprechende Kurve ist mit 40 bezeichnet. Die exakte Form der Kurve 40 für
irgendeinen besonderenHalbleiterist nach denüblichen experimentellen Methoden leicht
festzustellen.
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Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß es eine Schwellwertbreite
Wt des verbotenen Bandes gibt, unter der
keine Strahlung von der
Oberfläche 30 des Halbleiterelements 10 sich ausbreitet. Fernerhin
gibt es eine Maximalbreite W", des verbotenen Bandes, über welcher sich alle elektromagnetische
Strahlung 20, die sich in die Oberfläche 24 hinein ausbreitet, sich von der Oberfläche
30 von 10 fortpflanzt.
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Man hat sich entschieden, mit zwei Klassen, A und B, von Halbleiterelementen
nach der Wirkung der auferlegten elastischen Beanspruchung auf die Breite ihrer
diesbezüglichen verbotenen Bänder, zu rechnen.
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Bei den Halbleiterelementen der Klasse A bewirkt die auferlegte
Beanspruchung, daß die Breite W des verbotenen Bereiches kleiner wird, wohingegen
bei den Halbleiterelementen der Klasse B die aufgeprägte Beanspruchung verursacht,
daß die Breite W des verbotenen Bereiches größer wird.
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In F i g. 4 a ist eine graphische Darstellung der Breite des
verbotenen Bandes über der eingeführten Beanspruchung für Halbleiter der Klasse
A gegeben. F i g. 4 b enthält eine graphische Darstellung der
Breite des verbotenen Bandes in Abhängigkeit von der Beanspruchung bei Halbleitem
der Klasse B.
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Aus F i g. 4 a ist zu ersehen, daß die Breite W des verbotenen
Bandes in Abhängigkeit von der aufgeprägten elastischen Spannung S eine Kurve
ist, welche auf der W-Achse mit dem Wert Wi beginnt und welche mit dem Wert W, endet.
Die Änderung von W zwischen Wi und Wi rührt von der elastischen Deformation des
Kristalls her.
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In F i g. 4 b ' zeigt die Kurve 44 den Einfluß der elastischen
Spannung S auf die Breite W des verbotenen Bandes bei einem Klasse-B-Halbleiter.
Man erkennt, daß die Anfangsbreite Wi mit zunehmender Beanspruchung auf einen höheren
Wert der Breite Wf ansteigt.
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Ansbhauliche Beispiele für Halbleiter der Klasse A
sind Halbleiter
aus Aluminium-Antimonid (AlSb) und aus Gallium-Phosphid (GaP). Anschauliche Beispiele
für Halbleiter der Klasse B sind Halbleiterelemente aus Gallium-Arsenid (GaAs) und
aus Germanium (Ge).
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Die F i g. 5 a und 5 b zeigen den Einfluß des Zusatzes
von Donator- bzw. Akzeptorelementen. In F i g. 5 a ist das Halbleiterbauelement
10 mit Donator-Störstoffen dotiert, um dadurch eiü#n n-Typ-Halbleiter zu
bekommen. Die Brandstruktur ist nach der Darstellung von F i g. 2
ausgeführt. Als Folge der lionatorelemente im Gitter des Halbleiterkristalls gibt
es ein Donatorniveau 46 innerhalb des verbotenen Bandes, und das Ferminiveau Of
ist etwas gegen die Kante des Leitungsbandes angehoben.
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F i g. 5 b zeigt die Wirkung der Anwesenheit von Akzeptor-Störstoffen
im Gitter des Halbleiterkristalls, womit ein p-Typ=Halbleiter zustande kommt. Zusätzlich
zur Bandstruktur nach F i g. 2 gibt es dort ein Akzeptor-Loch-Energieniveau
48 innerhalb des verbotenen Bandes. Das Ferminiveau ist etwas dichter an die Valenzbandkante
herangerückt.
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F i g. 6 veranschaulicht die Erzeugung der Rekom- i binationsstrahlung
jan einem pn-Übergang eines in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterelements.
Ein Halbleiterelement 50 hat eine p-Typ-Zone 52
und eine n-Typ-Zone
54 sowie einen pn-Übergang 55
zwischen den beiden Zonen. Mit der p-Typ-Zone
52 1 ist die positive Klemme der Spannungsquelle Vf verbunden. Die negative
Klemme ist an die n-Typ-Zone angeschlossen- Damit ist das Halbleiterbauelement
50 1 n der Durchlaßrichtung vorgespannt. Ein Bereich 56 des pn-überganges
ist in Kreisform gezeigt. Von diesem Bereich 56 geht eine durch Pfeile angedeutete
Lichtstrahlung 58 aus. Die dem n-Typ-Abschnitt 54 auferlegte Beanspruchung
S bewirkt die Modulation des Lichtes 58.
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Die allgemeine Beschaffenheit der Bandstruktur in einem Halbleiterelement
50 (F i g. 6) mit einem pn-Übergang 55 im Halbleiterkörper
ist aus Fig.7 zu ersehen. In charakteristischer Weise fließen aus dem n-Typ-Abschnitt
Elektronen nach der p-Typ-Zone, wie durch Pfeil 60 angezeigt ist. Andererseits
fließen Löcher aus der p-Typ-Zone nach der n-Typ-Zone, wie dies der Pfeil
62 anzeigt.
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In F i g. 8 ist ein elektrooptischer Transistor dargestellt,
wie er bei der Durchführung des Erfindungsgedankens verwendet wird. Der Transistor
64 hat eine p-Typ-Zone 66, eine n-Typ-Zone 67 und eine p-Typ-Zone
69. Zwischen den Zonen 66 und 67 liegt der pn-übergang
70. Zwischen den Zonen 67 und 69
befmdet sich der pn-übergang
71.
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Mit der p-Typ-Zone 66 ist die positive Klemme der Spannungsquelle
Yf verbunden. Die negative Klemme der Spannungsquelle liegt an Erde 72.
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Die negative Klemme der Spannungsquelle V" ist. über das Strommeßgerät
73 und über den Belastungswiderstand 74 an die p-Typ-Zone 69 angeschlossen.
Die positive Klemme dieser Spannungsquelle V, liegt an Erde. Der n-Typ-Bereich
67 ist mit Erde verbunden.
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Die vom pn-übergang 70 ausgehende Rekombinationsstrahlung
76 bildet am pn-Übergang 71
Elektron-Loch-Paare. Durch die Einprägung
einer Spannung S am n-Typ-Bereich 67 wird die dort sich fortpflanzende
Rekombinationsstrahlung moduliert, und der im Stromrnesser 75 angezeigte,
über den Belastungswiderstand 74 ffießende Kollektorstrom wird auch moduliert.
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In F i g. 9 ist ein akustisch-optischer Wandler schematisch
gezeigt. Eine Halbleiterzone 10 ruht auf einer Unterlage 79 und wird
von einer elektromagnetischen Strahlung 20 mit den Quanten 22 durchsetzt. Aus diesem
Halbleiterabschnitt heraus pflanzt sich eine elektromagnetische Strahlung
26 mit den Quanten 28 fort. Diese Strahlung S ist durch eine
Beanspruchung S in einen Bereich der Zone 10
mittels akustischer Energie
-aus der Energiequelle 80
moduliert. Infolgedessen ist die Ausgangs-Intensität
I, der Strahlung 28 durch elastische Deformation des Halbleiterelements
10 im Einklang mit der akastischen Energie 80 moduliert.
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F i g. 10 zeigt eine Technik der mechanischen Beanspruchung
eines Halbleiterelements 10. Das Element 10 ruht auf den Stützen 84
und 86. Die Beanspruchung S wird auf der anderen Seite, gegenüber
den Stützen 84, 86, eingeführt, damit'das Element ein Biegungsmoment erfährt.
Auf diese Weise werden dem Halbleiterelement 10 elastische Deformation in
Übereinstimmung mit der Spannung S zugefügt, um die dort sich ausbreitende
elektromagnetische Strahlung zu modulieren.
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Im Fall der F i g. 1 wird durch die Anwendung der Beanspruchung
S die an der Oberfläche 24 des Halbleiterelements 10 eintretende elektromagnetische
Strahlung moduliert. Wie an Hand der F i g. 4 a und 4b gezeigt, ist die Wirkung
der Beanspruchung verschieden, je nachdem, ob das Halbleiterelement zur Klasse
A oder zur Klasse B gehört. Da die Änderung
in der Breite
W des verbotenen Bandes einer Zone des Halbleiterelements (F i g. 3) den
Betrag der Ab-
sorption der elektromagnetischen Strahlung ändert, welche sich
dort ausbreitet, muß jetzt die Wirkung der Beanspruchung sowohl bezüglich der Amplitude
als auch bezüglich der Frequenz der Ausgangsstrahlung 26 geprüft werden.
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Für den Fall, daß die ankommende Strahlung 20 monochromatisch ist,
d. h. eine einzige Frequenz am pn-übergang 55 (F i g. 6), z.
B. bei der angeregten Emission, aufweist, wenn die verbotene Bandbreite W kleiner
gemacht wird, bleibt die Ausgangsstrahlung 28 monochromatisch, hat aber eine
kleinere Intensität bzw. Amplitude. Die Intensität kann hierbei als eine Anzeige
für die Energie der elektromagnetischen Energie angesehen werden, welche sich durch
die Querschnittseinheit fortpflanzt.
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In dem Fall, wo die ankommende Strahlung 20 polychromatisch
ist und wenn die Anwendung einer Beanspruchung S ein Kleinerwerden der verbotenen
Bandbreite W verursacht, wird die Strahlung, welche sich von der Oberfläche
30 ausbreitet, sowohl nach Amplitude bzw. Intensität als auch nach ihrer
Frequenz beeinflußt. Die Energie eines elektromagnetischen Strahlungsphotons ist
direkt proportional ihrer Frequenz.
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Demgemäß werden höhere Frequenzen der einfallenden Strahlung 20 bevorzugt
absorbiert, wenn die Breite W des verbotenen Bandes kleiner wird. Im Fall der polychromatischen
Eingangsstrahlung 20 hat deshalb die Ausgangsstrahlung 26 die geringere Intensität,
und ihre Frequenzverteilung ist anders als die der einfallenden Strahlung. Da die
Beanspruchung S, welche dem Halbleitereleinent 10 aufgeprägt wird, elastisch
ist gemäß der Erfindung, so ist der Prozeß, welcher die Breite W des verbotenen
Bandes entweder größer oder kleiner macht, umkehrbar. Die Kurve 40 nach F i
g. 3 kann nicht linear werden. Eine Prüfung läßt sich experimentell durchführen
für den Bereich, über welchen die Breite W des verbotenen Bandes in Übereinstimmung
mit deren Modulationseigenschaften zu verändern ist, die für die Ausgangsstrahlung
26 gewünscht.wird.
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Da im Halbleiterelement Elektronen in den zur Verfügung stehenden
Zuständen (F i g. 2) in der Bandstruktur in einer die Temperatur des Elementes
betreffenden Weise vorhanden sein werden, muß bei der Ausübung des Erfindungsgedankens
die Temperatur des Elementes berücksichtigt werden. Im Fall einer Flüssigkeit 14
in einer Kammer 16 nach F i g. 1
läßt sich die Temperatur mit
herkömmlichen experimentellen Methoden leicht kontrollieren.
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Die Anordnung nach F i g. 1, bei der die Beanspruchung
S einem Halbleiterelem - ent aufgeprägt wird, ist bloß beispielhaft
für viele mögliche Methoden der Anwendung von Spannungen an einem Gegenstand. In
allen Fällen, wo das Halbleiterelement 10 ein Medium entweder auf seiner
Eingangsfläche 24 oder seiner Ausgangsfläche 30 enthält, müssen die optischen
Eigenschaften des Mediums so gewählt werden, daß die Strahlung sich zu ihrem Zielpynkt
ira Sinne der Anwendung des Erfliidungsgedankens ausbreitet.
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Bei der Ausübung der Erfindung ist es manchmal wünschenswert, gewisse
Störelemente in einer Zone eines Halbleiters, die elastisch beansprucht werden 'soll,
unterzubringen, um die dort sich fortpflanzende elektromagnetische Strahlung in
Übereinstimmung mit den Eigenschaften der Störelemente zu modulieren.
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An Hand der F i g. 5 a und 5 b ist zu erkennen, daß
Donator-Energieniveaus und Akzeptor-Energieniveaus durch selektives Dotieren des
Elements mit bevorzugten Mengen von ii-Typ-Störstoffen und p-Tyl>Störstoffen im
verbotenen Energieband eines Halbleiterelements aufgestellt werden können. In dieser
Weise werden Elektronenniveaus und Defektelektronenniveaus vorhanden sein, um eher
strahlungslose Prozesse als die Rekombinationsstrahlung in der Dämpfung zu unterstützen.
Im Sonderfall der Klasse-B-Halbleiter sind vorzugsweise Störstoffe im oben beschriebenen
Sinne gebildet. In solch einem Halbleiter ist die Absorption der sich in dem in
Betracht kommendenBereich fortpflanzenden elektromagnetischen Strahlung bei fehlender
Bereichsbeanspruchung am größten. Da die elastische Beanspruchung bewirkt, daß die
verbotene Bandbreite eines Halbleiters der Klasse B größer wird, ermöglicht die
Verwendung der Störstoffe, daß mehr Strahlung hindurchgeht, wenn die Beanspruchung
aufgeprägt wird.
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Da die Bandstruktur eines Kristalls in der Nähe der Kristalloberfläche
erkennbar anders ist als in der benachbarten Körpermasse, steuert die in einem Bereich
nahe der Oberfläche eingeführte elastische Spannung die Modulation der durch die
Oberfläche sich fortpflanzenden Strahlung im Körpermaterial in stärkerem Maße, als
wenn sie an einer weiterwegliegenden Stelle eingeführt worden wäre.
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Bei der Ausübung der Erfindung ist öfters die Verwendung benachbarter
Zonen sowohl bei Halbleitern der Klasse A als auch bei Halbleitern der Klasse
B (F i g. 4 a, F i g. 4 b) zu beachten. Auf diese Weise wird
eine gewünschte Modulationscharakteristik der optischen Energie gewonnen.
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Beim praktischen Gebrauch der Erfindung für die Zwecke der Modulation
derRekombinationsstrahlung ist, wie in F i g. 6 gezeigt ist, es besonders
angebracht, wenn die Rekombm#ationsstrahlung 58 aus einer angeregten Emission
am pn-Übergang 55 herrührt.
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Durch selektive Anwendung der elastischen Beanspruchung entweder an
der p-Typ-Zone 52 oder an der n-Typ-Zone 54 erzielt man Impulsmodulation
der Ausgangsstrahlung 26 (F i g. 1) am Halbleiter 50.
Die Anwendung
der selektiven Beanspruchung ermöglicht unter diesen Umständen leicht die Steuerung
einer digitalen Information, welche von der Ausgangsstrahlung 26 zu übertragen
ist.
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Wegen der Bandstrukturen der n-Typ- und der p-Typ-Halbleiter nach
F i g. 5 a bzw, F i g. 5 b kann die Quelle der hochwirksamen Rekombinationsstrahlung
von einem Gallium-Arsenid-Halbleiter-pn-Übergang 55 (GaAs) nach F i
g. 6 innerhalb des verbotenen Bandes liegen. Bei der Ausdeutung können die
Rekombinations-übergänge zwischen einem Donatorniveau und einem Akzeptomiveau sich
abspielen. Durch bevorzugtes Dotieren der p-Typ-Zone oder der n-Typ-Zone des Halbleiterelements
50 werden dort bevorzugt Donator- und Akzeptorniveaus gebildet.
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Da Gallum-Arsenid ein Halbleiter der Klasse B ist, nimmt die Breite
seines verbotenen Bandes mit der Einführung der elastischen Spannung zu. Daher ist
durch bevorzugtes Dotieren einer Zone, durch welche sich die Rekombinationsstrahlung
fortpflanzt, der Betrag der Absorptio'n in Abwesenheit der Spannung
sorgfältig
bestimmt. Durch die selektive Anwendung der elastischen Spannung wird eine gewünschte
Modulation der optischen Ausgangsenergie gewonnen.
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Wenn im Gallium-Arsenid am pn-übergang55 Rekombinationsstrahlung auftritt,
dann wird ungefähr an der p-Typ-Seite infolge der Elektron-Loch-übergänge zwischen
den Donator- und Akzeptorniveaus innerhalb des verbotenen Bandes eine Beanspruchung
bewirken, daß §ich die Strahlung aus diesem Bereich heraus fortpflanzt. Die Elektron-Loch-übergänge
bilden selektiv Donator- und Akzeptorniveaus in einem Teil des n-Typ-Bereiches,
welcher die Tendenz hat, die Rekombinationsstrahlung zu absorbieren. Es sei eine
gleichmäßige Donator-Dotierung von Silizium (Si) über den gesamten Halbleiterkristall50
(Fig. 6) und Akzeptor-Dotierung von Zink (Zn) im p-Typ-Bereich
52 angenommen, wobei das Zink eine höhere Konzentration hat als das Silizium
in der p-Typ-Zone. Dann wird das Zink im Spannungsfeldteil der n-Typ-Zone 54 mit
etwa derselben Konzentration dotiert wie dort das Silizium, um die gewünschte Absorption
bei fehlender Beanspruchung zu erhalten. - -
Wegen der praktischen Ausübung
der Erfindung mit einem elektro-optischen Transistor sei für die Technologie die
F i g. 8 herangezogen. Wie oben beschrieben, bewirkt die vom pn-Übergang
70 herrührende Rekombinationsstrahlung 76 am pn-übergang
71 die Bildung von Elektron-Loch-Paaren. Durch die Anwendung der elastischenBeanspruchung
am n-Typ-Bereich 67 wird die dort sich fortpflanzende Rekombinationsstrahlung
moduliert. Es ist leicht zu verstehen, daß die Beanspruchung S selektiv der
n-Typ-Zone 67 im Sinne einer Modulation des Kollektorstromes eingeführt werden
kann, welcher durch den Widerstand 74 entsprechend einem gewünschten Zweck fließt.
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- Es ist bereits an Hand der F i g. 8 erörtert worden,
daß ein elektro-optischer Transistor gewonnen wird, wenn der pn-Übergang entweder
ein heterogener oder ein homogener übergang ist. Ein Beispiel für einen heterogenen
pn-übergang in einem elektrooptischen Transistor ist, wenn die p-Typ-Zone
66
und die n-Typ-Zone 67 aus Galhum-Arsenid sind, und die p-Typ-Zone
69 aus Germanium besteht.
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Bei einem elektro-optischen Transistor nach F i g. 8 als Beispiel
mit homogenem pn-übergang sind alle Zonen aus Gallium-Arsenid. Durch selektive Anwendung
der elastischen Spannung S im Bereiche des pn-überganges sowohl bei elektrooptischen
Transistoren mit homogenen pn-übergängen als auch bei elektro-optischen Transistoren
mit heterogenen pn-übergängen läßt sich in übereinstimmung mit der Technologie nach
F i g. 8 eine gewünschte Modulation des Kollektorstromes erreichen.
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Manchmal ist es wünschenswert, die unmittelbare Umgebung eines pn-überganges,
wie pn-übergang 71, so zu dotieren, daß ein eingebautes Feld für die Trennung
der Elektron-Loch-Paare, die durch Ab-
sorption von Photonen an dieser Stelle
erzeugt werden, entsteht. In dieser Form arbeitet die am pn-übergang aufgeprägte
Beanspruchung wirksamer bei der .Modulation der Ausgangsstrahlung.
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F i g. 9 und F i- g. 10 zeigen zwei Methoden für die
Anwendung der elastischen Beanspruchung am Halbleiterelement 10. Im Fall
der- F i g. 9 wird die modulierte akustische Energie der einen Oberfläche
des Halbleiterelements 10 zugeführt, welches auf der Unterlage
79 ruht.
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In F i g. 10 tragen die Stützen 84 und 86 das Halbleiterelement
10 auf einer Seite, während die elastische Spannung auf einer anderen Oberfläche
so zugeführt wird, daß eine Biegungsbeanspruchuiig dort entsteht. Es ist klar, daß
im Rahmen des Erfindungsgedankens auch andere Formen für die Erzielung einer elastischen
Beanspruchung vorteilhaft möglich sind. So kommen z. B. Dehnung, Druck, Zug,
Stauchung und Torsion als Beanspruchungsformen entweder einzeln oder in Gemeinschaft
vorteilhaft in Betracht.
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An Hand der F i g. 2, 6 und 7 soll die Praxis
der Erfindung in bezug auf die Steuerung der angeregten Emission am pn-übergang
erörtert werden. Da die Energie der angeregten Emission mit der Breite W des verbotenen
Bandes zusammenhängt, wenn der strahlende pn-übergang selektivelastischbeansprucht
wird, wird die Intensität der Energie der resultierenden Rekombinationsstrahlung
aus . der angeregten Emission geändert.
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Im Fall der Verwendung eines Halbleiters der Klasse A verursacht
die einem solchen pn-übergang aufgeprägte elastische Beanspruchung, daß die Rekombinationsstrahlung
aus der angeregten Emission eine längere Wellenlänge aufweist.
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Im Fall der Verwendung eines Halbleiters der Klasse B hat die Anwendung
der elastischen Beanspruchung eines solchen strahlenden pn-überganges die Wirkung
einer Verkürzung der Wellenlänge der resultierenden Rekombinationsstrahlung aus
der angeregten Emission.