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Einrichtung und Verfahren zur Modulation von insbesondere infrarotem
Licht Es besteht häufig, vor allem in der Nachrichtentechnik, ein großes Interesse
an einer Lösung der Aufgabe, die Amplitude eines Lichtstrahles zu modulieren. Besondere
Bedeutung hat eine Lösung für den Fall, daß scharf gebündeltes infrarotes Licht
von einigen um Wellenlänge, das von sogenannten »Molekular«-Verstärkern, die allgemein
unter dem Begriff »Laser« bekannt sind, ausgesandt wird, als Trägerwelle für die
gleichzeitige übertragung vieler Nachrichten moduliert werden soll. Bisher kamen
für diese Zwecke der Lichtmodulation praktisch nur der Kristall-Kerr-Effekt und
die steuerbare Absorption, z. B. in Halbleiterkörpern, in Frage.
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Die Erfindung geht einen anderen Weg, indem sie zur Modulation von
insbesondere infrarotem Licht das entsprechend der gewünschten Modulation elektrisch
gesteuerte Reflexionsvermögen von Halbleiterkristallen ausnutzt.
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Es ist bereits bekannt, daß dotierte Halbleiter auch Licht reflektieren
können, dessen Frequenz kleiner ist als die dem Bandabstand des Halbleiters entsprechende
Frequenz, und daß diese Reflexion an der Oberfläche von insbesondere hochdotierten
Halbleitern von der Dichte der freien Ladungsträger im Halbleiterkristall abhängig
ist. Hall hat in J. opt. Soc. Am., 50, 1960, S. 717, für Lichtfrequenzen mit einer
Wellenlänge bis zu etwa 15 #um die Abhängigkeit der Reflexion an hoch bor-dotiertem
Silizium angegeben; Spitzer und W h e 1 a n haben in Phys. Rev., Bd. 114, Nr. 1,
1959, S.59, Ergebnisse über Untersuchungen unter anderem über das Reflexionsverhalten
an hoch n-dotiertem Galliumarsenid bis zu Wellenlängen von etwa 30 tim veröffentlicht.
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In Phys. Rev., Bd. 107, 1957, S. 1193 und 1194, ist angegeben worden,
daß Licht, das von Germanium reflektiert wird, durch Injektion von Ladungsträgern
zu modulieren sei, und zwar entweder in der Nähe eines Metallspitzenkontaktes oder
an einem pn-Übergang.
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Diese Eigenschaften dotierter Halbleiterkristalle werden bei der die
Erfindung betreffenden Anordnung zur Modulation von insbesondere infrarotem Licht,
vorzugsweise für die Nachrichtenübertragung, genutzt, indem in einem Halbleitereinkristall
die Zahl der freien Ladungsträger an der Stelle, an der das zu modulierende Licht
auf den Halbleiterkristall auftrifft, und somit das Reflexionsvermögen dieses Halbleiters
an bezeichneter Stelle für das auftreffende Licht elektrisch, entsprechend der gewünschten
Modulation, gesteuert wird.
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Die obenerwähnte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dieser Anordnung
erfindungsgemäß eine das Reflexionsvermögen der das Licht reflektierenden Schicht
durch Erzeugen von freien Ladungsträgern vergrößernde Vorspannung verwendet wird.
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In einer wie oben bezeichneten Anordnung ist der Halbleiter an der
Reflexionsstelle des Lichtes bereits dotiert, jedoch in einem Maße, das für das
erwünschte Reflexionsvermögen bei der Modulation des Lichtes nicht ausreicht. Durch
diese Dotierung wird lediglich ein Mindestreflexionsvermögen des Halbleitereinkristalls
an der Reflexionsstelle sichergestellt. Durch das erfindungsgemäße Anlegen elektrischer
Gleichspannung wird die Zahl der freien Ladungsträger weiter erhöht. Die gesamte
Erhöhung wird durch die Steuerung der elektrischen Gesamtspannung als Summe der
Gleich- und Wechselspannung enstprechend der gewünschten Modulation des Lichtes
geändert. Dabei kann durch die elektrische Steuerung an der Reflexionsstelle nicht
nur die Zahl der Majoritätsträger, sondern auch die Zahl der Minoritätsträger erhöht
werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
und den Ausführungsbeispielen der F i g. 1 bis 4 hervor. In der F i g. 1 besteht
der Halbleitereinkristall 10 aus zwei Schichten 11,12 von denen die dickere Schicht
11 stärker p-dotiert ist (pes) als die andere dünnere, jedoch ebenfalls p-dotierte
Schicht 12. Auf diese Schicht 12 trifft der Lichtstrahl 13 auf und wird von ihr
reflektiert (Lichtstrahl 14). Die Schicht 12 ist sperrschichtfrei mit einer netzartigen
oder in anderer Weise, z. B. entsprechend F i g. 3, geformten Metallelektrode 2
versehen, die einen Teil der Oberfläche der Schicht 2 frei läßt. Diese von der Elektrode
2 frei gelassenen Teile der Schicht 12 reflektieren also den ankommenden
Strahl
13 entsprechend ihrer freien Ladungsträgerdichte. Diese Ladungsträgerdichte ist
von dem Strom abhängig, der durch den Halbleiterkristall 10
von der Vorspannungsquelle
15 über die sperrfrei auf den Halbleiter aufgebrachte Elektrode 3 durch den Halbleiter
10 über die Gegenelektrode 2 und den Widerstand 16 fließt. Parallel
zum Widerstand 16 liegt über einem Widerstand 18 die Modulationsspannungsquelle
17, so daß der durch den Halbleiter 10
fließende Strom entsprechend
den Schwankungen der Spannungsquelle 17 moduliert ist. Die Schicht
12 ist vorzugsweise so dünn, daß ihre Dicke kleiner ist als die Diffusionslänge
der Ladungsträger, die von der hochdotierten Schicht 11 zur Schicht
12 fließen. Dadurch ist die Dichte der Ladungsträger auch an der der Schicht
11 abgewendeten Seite der Schicht 12 von der durch den Halbleiter
10 fließenden Stromstärke abhängig, die entsprechend der Modulationsspannung
17 schwankt. Der vom Halbleiter 10 reflektierte Lichtstrahl
14 ist also im Takt der Modulation 17
moduliert.
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Um einen hohen Wirkungsgrad der so erzielten Steuerung des Reflexionsvermögens
des Halbleiters zu erreichen, muß die Dichte der Ladungsträger an den Reflexionsstellen
des Halbleiterkristalls groß sein; bei Silizium beträgt sie insbesondere mindestens
etwa 1016 freie Ladungsträger pro Kubikzentimeter. Ferner ist es wichtig,
durch geeignete Wahl des Halbleitermaterials der Dotierung bzw. der Wellenlänge
des zu modulierenden Lichtes dafür zu sorgen, daß die Diffusionslänge der freien
Ladungsträger in dem Halbleitereinkristall größer ist als die Wellenlänge des Lichtes.
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Wie bereits ausgeführt, kann die Zahl der freien Ladungsträger, die
für das Reflexionsvermögen des Halbleiterkristalls maßgebend ist, auch dadurch gesteuert
werden, daß in eine Schicht von bestimmtem Leitfähigkeitstyp Minoritätsladungsträger
injiziert werden. Eine solche Einrichtung ist in F i g. 2 gezeigt. In ihr ist der
Halbleiterkristall 20 aus zwei Schichten 21 und 22 gebildet,
von denen die dünnere und relativ schwächer, z. B. p-leitfähig, dotierte Schicht
22,
wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 1, als Reflexionsschicht dient.
Die andere Schicht 21 des Halbleiterkristalls 20 ist dicker und ist
entgegengesetzt, z. B. n+, dotiert. Wie im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1,
ist der Halbleiter mit den sperrschichtfrei aufgebrachten Elektroden 2 und 3 versehen.
Die Schaltung in der F i g. 2 entspricht der Schaltung in F i g. 1. Die bei Anlegen
der Vorspannung 15 und der Modulationsspannung 17 aus der n+-Schicht
21
in die p-Schicht 22 injizierten Minoritätsladungsträger diffundieren
infolge der ausreichend geringen Dicke der Schicht 22 bis an die von der Elektrode
2 freigelassenen Oberflächenteile der Schicht 22 und ändern dort das Reflexionsvermögen
des Halbleiters für die verwendeten Lichtstrahlen.
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Die Dotierung der Reflexionsschichten 12 bzw. 22
wird
vorzugsweise so hoch gewählt, daß die durch sie bedingte freie Ladungsträgerdichte
an der reflektierenden Oberfläche des Halbleiters 10 bzw. 20 für die
zu modulierenden Lichtstrahlen nur ein geringes Reflexionsvermögen von höchstens
10 bis 20 % bedingt. Die Höhe der Vorspannung 15 und die Dotierung der Emissionszonen
11 bzw. 21 werden ferner so hoch gewählt, daß durch sie bei fehlender
Modulationsspannung das Reflexionsvermögen auf etwa 30 bis 50 % steigt. Und schließlich
ist die maximale Modulationsspannung 17 vorteilhafterweise so zu bemessen,
daß bei ihr das Reflexionsvermögen nicht bis auf den durch die Dotierung der Reflexionszonen
bedingten Wert absinkt. Insbesondere empfiehlt es sich, bei solchen Halbleitern,
bei denen, wie bei Gas, das Reflexionsvermögen für eine bestimmte Lichtfrequenz
mit steigender Ladungsträgerdichte je nach der Wahl der Höhe der Dotierung fallen
oder steigen kann, diese Dotierung so zu wählen, daß das Reflexionsvermögen für
die zu modulierenden Lichtstrahlen dieser Frequenz mit der freien Ladungsträgerzahl
steigt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes (s.
F i g. 4) ist ein langgestreckter, z. B. n-dotierter Halbleiterkristall
40 beidseitig mit zwei sperrschichtfrei aufgebrachten Basiselektroden
44, 45 versehen. Durch ihn fließt im Betrieb ein Majoritätsträgerstrom entsprechend
der Polarität der angelegten Spannung 43. Zwischen den beiden Basiselektroden
ist auf dem Halbleiter in der Nähe der einen Basiselektrode 44 der Emitter
41 angebracht, z. B. einlegiert, dessen p-dotierte Zone 41' über die
Vorspannungsquelle 15 an dem Widerstand 16 liegt, an dem von der Modulationsquelle
17 über den Kondensator 18 eine der Modulationsfrequenz entsprechende Spannung erzeugt
wird. Von dem Emitter 41
werden also Minoritätsladungsträger in den Halbleiterkristall
40 injiziert, die längs des Spannungsgefälles zur Basiselektrode
45 hinwandern und auf ihrem Wege auch die Zahl der freien Ladungsträger an
der Reflexionsstellen 42 entsprechend den Schwankungen der Modulationsspannungsquelle
17 ändern. Der auf der Reflexionsstelle 42 auftreffende Lichtstrahl wird
also entsprechend dem sich dadurch ändernden Reflexionsvermögen des Halbleiterkristalls
40 verschieden reflektiert, so daß der reflektierte Strahl 14 in der
gewünschten Weise moduliert ist.
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Als Halbleiterkristalle eignen sich besonders vorteilhaft Germanium-
oder Siliziumeinkristalle oder Einkristalle aus der Gruppe der Al"Bv_Verbindungen.
Es empfiehlt sich ferner, daß das Halbleitermaterial außer den zur Dotierung dienenden
Stoffen möglichst wenig weitere Fremdstoffe enthält, weil dadurch die Diffusionslänge
der Ladungsträger nicht unnötig über das durch die Dotierung bedingte Maß hinaus
herabgesetzt wird. Die Halbleiterzonen des Einkristalls, aus denen Ladungsträger
in die reflektierenden Zonen 12, 22, 40 injiziert werden, werden schließlich vorteilhafterheise
bis zur Entartung dotiert.