DE1273691B - Tastbare Festkoerperlichtzeile - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H05b

Deutsche KL: 2If-89/03

Nummer: 1273 691

Aktenzeichen: P 12 73 691.3-33 (D 53562)

Anmeldetag: 11. Juli 1967

Auslegetag: 25. Juli 1968

Wird ein Kristall bestimmter Halbleitermaterialien einem konstanten elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes, des Schwellenwertes, ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Schwingungsanteil, dessen Frequenz durch den Durchgang der Raumladungsverteilung zwischen den Kontaktflächen des Kristalls gegeben ist. Es gibt einige Erscheinungsformen, von denen drei wie folgt sich äußern:

a) Zuerst wurde von J. B. Gunn (Solid State Communications, Bd. 1, S. 88, 1963) berichtet, daß bei III-V-Halbleitern die Erscheinung auf dem Elektronenübergang von einem hohen zu einem niedrigen Zustand der Beweglichkeit zurückzuführen ist.

b) Bei Cadmiumsulfid beruht diese Erscheinung auf der Wechselwirkung von driftenden Elektronen

ι mit akustischen Phononen.

c) Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß auf Grund von feldabhängigen Beweglichkeiten in Verbindung mit Einfangseffekten in Germanium unter geeigneten Bedingungen sehr langsam sich bewegende Wanderzonen erhalten werden können.

Die Schwingungsfrequenz ist in erster Linie von der Länge des Strompfades durch den Kristall abhängig. Wie oben festgestellt, wurde die Erscheinung sowohl in III-V-Halbleitern, wie Galliumarsenid und Indiumphosphid vom n-Leitfähigkeitstyp, als auch in piezoelektrischen Halbleitern nachgewiesen.

Bei piezoelektrischen Halbleitern wird angenommen, daß die Wanderzonenerscheinung auf der Kopplung zwischen Elektronen und akustischen Phononen beruht. Das Phonon wird als Quant der thermischen Energie in einem Kristallgitter definiert.

Der im folgenden benutzte Ausdruck »Instabilitätseffekte hoher Feldstärke aufweisendes Halbleitermaterial« umfaßt zumindest jedes Material, das den oben erklärten Effekt oder eine ähnliche, damit funktionell in Beziehung stehende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen inneren Mechanismus beruhen kann.

Der Wert der angelegten Feldstärke, unterhalb der ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellenwert bezeichnet. Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an irgendeinem Punkt innerhalb des Körpers auf Grund eines Eingangssignals während einer kürzeren Zeit als die Laufzeit der Instabilität zwischen den zwei Kontaktflächen, an die das Feld angelegt wird, über den Schwellenwert gebracht, dann wird der von der äußeren Quelle der Potentialdifferenz durch den Körper bewirkte Strom-Tastbare Festkörperlichtzeile

Anmelder:

Deutsche ITT Industries

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Carl Peter Sandbank,

Bishop's Stortford, Hertfordshire;

Michael Brian Neilson Butler,

Lower, Harlow, Essex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 15. Juli 1966 (31 891)

fluß einen einzelnen Ausschlag über seinen Normalwert erleiden, so daß sich ein leistungsverstärkter Ausgangsimpuls ergibt.

Um den im vorigen Abschnitt beschriebenen Einzelimpulsbetrieb zu erhalten, muß der Stationärwert des angelegten Feldes einen unteren statischen Schwellenwert übersteigen, der experimentell bei gegebenem Material als charakteristisch zwischen 50 und 75% des dynamischen Schwellenwertes liegend ermittelt wurde. Der Stationärwert des Feldes kann ununterbrochen oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung im Bauelement impulsförmig angelegt werden.

Aus dem folgenden wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Methode ergibt, durch bewegliche Hochfeldwanderzonen bewirkte sichtbare Strahlung und deren Intensitätsmodulation zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tastbare Festkörperlichtzeile mit einer lumineszierenden Schicht auf der Oberfläche eines Grundkörpers zwischen zwei Elektroden. Aus der USA.-Patentschrift 2 951168 war bereits eine derartige Festkörperlichtzeile bekannt, bei welcher die lumineszierende Schicht auf einem Grundkörper aus piezoelektrischem Material angeordnet ist. Die Schicht wird zur Lumineszenz durch elektrische Felder angeregt, welche mit sich zeilenartig entlang dem Körper ausbreitenden Schallwanderwellen gekoppelt sind.

Bei der Festkörperlichtzeile der vorliegenden Erfindung wird jedoch der geschilderte Effekt von be-

809 587/224

3 4

weglichen Hochfeldwanderzonen (Gunn-Effekt) aus- Signalspannung hebt, mit anderen Worten ausgenutzt und von einem aus der Zeitschrift »Wireless gedrückt, das elektrische Feld innerhalb des Kristalls World« (September 1965), S. 425, und der »electro- gerade ausreichend über den Schwellenwert an. nic-zeitung« vom 20. August 1965, Nr. 16, S. 2, be- Unter diesen Bedingungen wurde ermittelt, daß kannten und eine Impulsgeneratoreinheit darstellen- 5 jede Anregung des Kristalls 1, durch die Spitze des den Halbleiterbauteil ausgegangen. Steuerimpulses 3 beispielsweise, einen scharfen Strom-

Bei einer tastbaren Festkörperlichtzeile wird der impuls 4 ergibt, welcher der Potentialquelle im Ausgeschilderte Effekt beweglicher Hochfeldwanderzonen gangskreis Leistung entzieht. Somit wird eine an das erfindungsgemäß dadurch ausgenutzt, daß der Grund- Bauteil angelegte oszillierende Schwingungsform eine körper aus einem Instabilitätseffekte bei hohen Feld- io entsprechende Reihe von am Ausgang auftretenden stärken (Gunn-Effekt) aufweisenden Halbleiterkristall scharfen Stromimpulsen ergeben. Unter der Vorausbesteht, in welchem sich zwischen den Elektroden setzung, daß die Eigenschwingungsfrequenz niemals eine Hochfeldwanderzone fortpflanzt, welche durch überschritten wird, ist die Wirkungsweise des Baueine innerhalb des Halbleiterkristalls eine Feldstärke teils im wesentlichen frequenzunabhängig. Die am oberhalb einer Schwellenwertfeldstärke bewirkende 15 Bauteil verfügbare Ausgangsleistung hängt von der Spannung zwischen den Elektroden verursacht ist, zulässigen Verlustleistung innerhalb des Kristalls ab. und daß die lumineszierende Schicht, zwischen der Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen. Auf und dem Halbleiterkristall die Tastung in Form eines Grund des relativ geringen Wirkungsgrades wird da-Spannungssignals anliegt, aus einem bei Injektion mit aber eine relativ hohe Verlustleistung im Kristall von Ladungsträgern lumineszierenden Halbleiter- 20 verbunden sein. Das Steuerpotential kann zur Vermaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie minderung der Dauerverlustleistung impulsförmig zuder Halbleiterkristall in einer den Durchtritt des geführt werden. Lichtes ermöglichenden Dicke besteht. Die Fig. 2 zeigt schematisch eine tastbare Fest-

Bei Anlegen des Spannungssignals entsteht je nach körperlichtzeile, die einen Impulsgenerator gemäß dessen Größe am Ort der Hochfeldwanderzone ein 25 der F i g. 1 verwendet. Auf einer Oberflächenseite der in der Lichtintensität getastetes Lichtzeichen. Scheibe 1 aus η-leitendem Galliumarsenid mit plan-Die Erfindung und ihre Merkmale werden im M- parallelen Oberflächen wird unter Bildung eines genden an Hand der Zeichnung erläutert, in der HeteroÜbergangs eine weitere Schicht S aus bei In-

F i g. 1 schematisch ein Halbleiterbauteil, welches jektion von Ladungsträgern lumineszierendem Halbeine Impulsgeneratoreinheit darstellt, und 30 leitermaterial, beispielsweise aus p-leitendem GaI-

F i g. 2 schematisch eine tastbare Festkörperlicht- liumphosphid, hergestellt. An einem Ende der Oberzeile gemäß der Erfindung veranschaulicht, die von fläche der Schicht 5 wird ein ohmscher Flächenkonder Impulsgeneratoreinheit gemäß der Fig. 1 Ge- takt 6 angebracht, brauch macht. Wird, wie die F i g. 2 der Zeichnung veranschau-

Das Halbleiterbauteil der F i g. 1, beispielsweise aus 35 licht, die Scheibe 1 mit einer einseitig gerichteten

η-leitendem Galliumarsenid, besteht aus einem Stromquelle verbunden, so daß ein Gleichspannungs-

Grundkörper 1 mit planparallelen Oberflächen und feld in der Größenordnung von 3000 Volt/cm an der

ohmschen Elektroden 2 an den Stirnflächen. Zum Scheibe 1 abfällt, dann wird, wie bereits festgestellt,

Anlegen einer Potentialdifferenz von einstellbarem eine Hochfeldwanderzone gebildet, die sich entlang

Wert zwischen den Elektroden 2 wird eine einseitig 40 dem Bauteil von der negativ gepolten Elektrode 2 als

gerichtete Stromquelle verwendet. Zur Ableitung Kathode zu der positiv gepolten Elektrode 2 als

irgendeiner Schwingung des durch den Kristall flie- Anode bewegt. An der Kathode wird eine weitere

ßenden Stromes ist ein nicht dargestellter Ausgangs- Hochfeldwanderzone gestartet, sobald die vorige die

kreis vorgesehen. Anode erreicht hat, wenn das Gleichspannungsfeld

Die in obigen Abschnitten beschriebene Erschei- 45 aufrechterhalten bleibt.

nung äußert sich durch das Auftreten einer Schwin- Wird zwischen der Kathodenelektrode und dem gung des durch den Kristallgrundkörper 1 fließenden Flächenkontakt 6 an die Schicht 5 eine Sperrspan-Stromes im Ausgangskreis, sobald die von der ein- nung gemäß der F i g. 2 angelegt, dann werden Elekseitig gerichteten Stromquelle über den Kristall an- tronen die entsprechend der Signalspannung sich ergelegte Potentialdifferenz einen kritischen Wert über- 50 gebende Sperrschicht im Bereich der Hochfeldschreitet. Für einen Kristall aus Galliumarsenid mit wanderzone durchtunneln und in die p-leitende Galeiner Länge von 0,2 mm liegt dieser bei einem zum liumphosphidschicht injiziert werden; es werden näm-Erzeugen einer Schwingung erforderlichen Wert in lieh allein die Elektronen im Bereich der Hochfeldder Größenordnung von 60 Volt, was innerhalb des wanderzone injiziert, da nur diese »heiß« genug sind, Kristalls einer Feldstärke der Größenordnung von 55 d. h., sie befinden sich in einem ausreichend hohen 3000 Volt/cm entspricht. Die Eigenschwingungs- Energiezustand, da die Wanderzonenfeldstärke in frequenz, die unmittelbar mit der Länge L des Kri- der Größenordnung von 100 000 Volt/cm liegt, stalls in Beziehung steht, liegt dabei in der Größen- Die heißen Elektronen rekombinieren mit den Ordnung 10⁹ Hz. Löchern beim Eintreten in die Galliumphosphid-

Bei einer anderen Betriebsweise ist die zwischen 60 schicht 5. Dadurch wird sichtbare Strahlung aus dem den Elektroden 2 angelegte Potentialdifferenz ein Bereich des pn-Übergangs emittiert, wenn die Hochexperimentell ermittelter Bruchteil der zum Hervor- feldwanderzone entlang dem scheibenförmigen rufen eines Selbstschwingens erforderlichen und Grundkörper 1 sich bewegt. Es wird somit eine tastwird derartig gewählt, daß eine mittels einer äußeren bare Lichtzeile erhalten.

Quelle überlagerte oszillierende Schwingungsform 65 Wird die zwischen den Flächenkontakt 6 und der

oder Steuerimpuls den Kristall 1 kurzzeitig während Kathodenelektrode angelegte Signalspannung ver-

jeder Periode der Eingangsfrequenz zum Selbst- ändert, dann wird sich die Höhe der Sperrschicht

schwingen bringt; der Spitzenwert der oszillierenden ebenfalls um einen entsprechenden Betrag mit dem

Ergebnis ändern, daß die aus der Festkörperlichtzeile austretende Lichtintensität während der Hochfeldwanderzone entlang dem scheibenförmigen Grundkörper 1 moduliert wird.

Um Zeilen in sichtbarer Strahlung zu erhalten, ist die Dicke der Schicht 5 derartig bemessen, daß die aus dem Bereich des pn-Ubergangs emittierte sichtbare Strahlung auch aus der oberen Oberflächenseite der Schicht 5 austritt.

Claims (2)

Patentansprüche: ίο

1. Tastbare Festkörperlichtzeile mit einer lumineszierenden Schicht auf der Oberfläche eines Grundkörpers zwischen zwei Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem Instabilitätseffekte bei hohen Feldstärken (Gunn-Effekt) aufweisenden Halbleiterkristall (1) besteht, in welchem sich zwischen den Elektroden (2) eine Hochfeldwanderzone fortpflanzt, welche durch eine innerhalb des Halbleiterkristalls (1) eine Feldstärke oberhalb einer Schwellenwertfeldstärke bewirkende Spannung zwischen den Elektroden (2) verursacht ist, und daß die lumineszierende Schicht (5), zwischen der und dem Halbleiterkristall (1) die Tastung in Form eines Spannungssignals anliegt, aus einem bei Injektion von Ladungsträgern lumineszierenden Halbleitermaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Halbleiterkristall (1) in einer den Durchtritt des Lichtes ermöglichenden Dicke besteht.

2. Tastbare Festkörperlichtzeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall (1) aus Galliumarsenid und die lumineszierende Schicht (5) aus Galliumphosphid besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 951168;
Wireless World, September 1965, S. 425;
Solid State Communications, Bd. 1, 1963, S. 88;
Electronic-Zeitung vom 20. August 1965, S. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 587/224 7.68 © Bundesdruckerei Berlin