DE1489157A1 - Elektrisches Schaltungselement - Google Patents

Elektrisches Schaltungselement

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DE1489157A1 DE19641489157 DE1489157A DE1489157A1 DE 1489157 A1 DE1489157 A1 DE 1489157A1 DE 19641489157 DE19641489157 DE 19641489157 DE 1489157 A DE1489157 A DE 1489157A DE 1489157 A1 DE1489157 A1 DE 1489157A1
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Description

iso. K. HOLZKB AUGSBITRO
55
Ϊ489Ϊ57
Augsburg, den 20. April 1964
National fiesearch Development Corporation, 1, Tilney Street,
London, W.1., England
Elektrisches Schaltungselement
Sie Erfindung betrifft elektrische Schaltungselemente und insbesondere Schaltungselemente, die ganz allgemein als Vierpole bezeichnet «erden»
Serartige Schaltungselemente weisen zwei Eingangsklemmen auf, denen ein Strom oder eine Potentialdifferenz zugeführt wird, wodurch zwischen zwei Ausgangsklemmen eine inderung
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der elektrischen Zustandsgrößen, wie des Widerstandes, des Stromes oder der Spannung herbeigeführt wird· SLn allgemein bekanntes Beispiel fur derartige Schaltungselemente ist das herkömmliche mechanische Beiais.
Gegenstand der Erfindung ist, ein aus einem Stück bestehendes, von einem Feststoff gebildetes Schaltungselement zu schaffen.
Die Erfindung geht demgemäß von einem elektrischen Schaltungselement aus, welches durch eine mit SLngangsanechlüssen versehene, von einem p-n-Übergang gebildete und bei positiver Vorspannung Strahlung emittierende Diode, ferner durch eine mit .Ausgangsanschlüssen versehene Schicht eines auf die genannte Strahlung ansprechenden Materials und-durch einen mit der genannten Diode und der Schicht fest verbundenen, aus einem kristallinen, für die Strahlung der Diode durchlässigen Material von hohem Widerstand bestehenden Körper gekennzeichnet ist, welcher die Diode von der Schicht elektrisch isoliert.
Gemäß der Erfindung sind die Diode und die strahlungsempfindliche Schicht vorzugsweise durch Epitaxie oder durch Aufdampfen auf den, einen hohen Widerstand aufweisenden Körper aufgebracht.
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Die von einem p-n-Übergang gebildete Diode kann aus Galliumarsenid oder aus Legierungen dieser Verbindung hergestellt sein. Hierzu geeignete Legierungen sind beispielsweise Galliumarsenid-Indiumarsenid-Legierungen und Galliumarsenid-Galliumantimonid-Legierungen. Aus Galliumarsenid hergestellte Dioden emittieren eine Strahlung von ungefähr 9 000 Χ Wellenlänge, während aus den oben erwähnten Legierungen gebildete Dioden eine Strahlung mit etwas größerer Wellenlänge aussenden.
Der Körper aus kristallinem, einen hohen Widerstand aufweisendem Material kann aus halbiedierenden Formen von Galliumarsenid oder von Galliumphosphid gebildet oder auch aus halbisolierenden Formen von Galliumphosphid-Galliumarsenid-Legierungen hergestellt sein.
Die oben erwähnte, aus strahlungsempfindlichem Material bestehende Schicht kann aus Germanium oder aus einer Germanium-Silizium-Legierung oder auch aus einer stark dotierten Schicht aus Galliumarsenid hergestellt sein. Diese Schicht besteht gemäß der Erfindung entweder als Ganzes aus einem Halbleitermaterial, dessen Widerstand von der einfallenden Strahlungsintensität abhängt, oder sie enthält einen halbleitenden p-n-Ubergang und die Ausgangsanschlüsse sind jeweils an die
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Abschnitte mit p-Leitung bzw. mit η-Leitung angeschaltet·
Gemäß der Erfindung können Jedoch auf der Oberfläche des Körpers des Schaltelementes auch mehrere von p-n-übergängen gebildete, Strahlung emittierende Dioden angeordnet sein. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung ,ist auf dem, aus Material mit hohem Widerstand gefertigten Körper eine Schicht eines beispielsweise η-leitenden Halbleiters aufgebracht und auf der Oberfläche dieser n-leitenden Schicht sind mehrere voneinander getrennte p-leitende Halbleiterabschnitte vorgesehen. Jedem dieser p-leitenden Abschnitte sind Jeweils entsprechende elektrische Anschlüsse zugeordnet, während an die η-leitende Schicht eine gemeinsame Anschlußleitung gelegt ist. Ein derartiges Schaltungeelement nach der Erfindung kann als "ODER"-Schaltglied Verwendung finden.
Die Eingangsdioden können, wenn dies wünschenswert ist, gemäß der Erfindung auch voneinander elektrisch getrennt sein, indem auf die Oberfläche des, einen hohen Widerstand aufweisenden Körpers mehrere voneinander getrennte, η-leitende Halbleiterabschnitte aufgebracht sind. Auf Jeden der einzelnen η-leitenden Abschnitte ist dann wiederum eine p-leitende Halbleiterschicht aufgebracht und den auf diese
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Weise durch pHa-Üb«:egaitge gebildeten Dioden sind j voneinander getienate 4&nsangsan*cMüsse> augeordnet
In» folgfta&ta wiqrd die Erfindung durch die beispielsweise Bescfereib*rag einigem bevorzugter Ausjführungsformen; anhand dear augtj&ojtigeja Zeichnung erlintrert» in welclier
die g
1 \ind. 2 ein Scb,eltiiagseleiBent nach, der Br-
finduaag scbeaatisch darstrelleÄ, während
die g
5 ϊκβ& 4 M01>SR*-Seha,ltglie4er nach der Erflndtaatg
1 4%r ZeiQhmuttgea ist ei»e Scheibe Λ aus einem, einen kofeea Ii€*c«ii8äöä aoafweisemdeja,, halbisolierenden arsenid dar.©ft*1»Ht^ dieser Sfepit feacoa aus normalem.» halb-
durch t2-s,tÜÄdigfca BrMt;»«». des halbleitenden Gallium»r®e3iide3 in einer SaMÄr»tQff*tmQ^phäre »ai Λ tOO^I; hergestellt s*in* iieia tidejfsftaaä lle§t <ia»Ä oberhalb icr $cm und beträgt b*i nonaaiejR iEejj^ejE%taaee» »T*isjcii.ejDL tQ^Hoa uad lO^-Qcm^ so daß dies.ec ÜtQft als »ift&tLclsfiheje Isolator betrachtet werden kaca· b#Hält dA»a«r Stoff die gjteich« SristallstruJtimr
H89157
«Le das haloleitende Galliojaarsenid, so ä&& er- auf dem halbisolierenden Galliximarseiiid mittels Epitaxie aufgelarcit werden kann» Außerdem ist dieser· Stoff für infrarote StarahlEBsg bältnismäßig- duarchlässig.
Bei der Herstellung des ^yf^ ™^^Tfg«g^M-gflffn Sehal.tiiBgs— element es wird auf die nach oben «eisende Oöerf läcfee der/ Scheibe Λ durch Epitaxie oder durch Aufdampfen eilte Sclcickt 2. Ktxs Halbleitend«» Galliumarseaaid des η-Typs aufgaiuras<citt und auf der- Oberfläche der Schicht 2 ist ein Bereich 3 aaxa haloleitendem Galliumarsenid des p—Typs vorgesehen, s© daß zwischen der Schicht 2 uaad der Schicht 3 eis p-c—Ohüergßtng gebildet ist. In äi» Schicht 2 ist ein elektrischer- gelegt und an die Schicht 3 ist ein elektrischer ATmctnTiTOi 5 angeschlossen. Wird durch des. Üoersaaig 6 ixt positiver1 Sichtung »ixt verhältnismäßig starker Sfcrraa geschickt, welchsr- üSreir die
4- t?w^ 5 geführt ist» so wLrrti van, dean p>-3ir-ilber>-
gang 6 infrarote Strahlung miM einer Wellenlänge von ungefähr1 9 0OG f emilririeirt.
Auf der nach untea weisendea Fläche der Seheih® 1ί ist; eine Schicht 7 ans halhleitendem Stoff vorgesehen ^ dstr durch Äpitaxie aufgebracht sein und entweder p—Ieitesä: ader/ m-.lexteaui
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sein kann. An einander gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht 7 sind elektrische Anschlüsse 8 und 9 befestigt. Fließt zwischen den Eingangsklemmen 4- und 5 kein elektrischer Strom, so stellt die zwischen den Anschlüssen 8 und 9 befindliche Schicht 7 einen hohen Widerstand dar. Fließt jedoch ein entsprechend starker Strom zwischen den lingangsklemmen 4· und 5» so daß von dem p-n-Übergang 6 Strahlung emittiert wird, so gelangt diese Strahlung verhältnismäßig ungehindert durch den aus halbisolierendem Galliumarsenid gefertigten Körper 1 hindurch und trifft hierauf auf die Halbleiterschicht 7 auf. Die Strahlung setzt den Widerstand der Halbleiterschicht 7 herab, so daß nun zwischen den Anschlußklemmen 8 und 9 ein bedeutend niedrigerer Widerstand wirksam ist.
Es zeigt sich, daß das in Figur 1 der Zeichnung dargestellte Schaltelement eine analoge Wirkungsweise hat wie ein mechanisches Heiais. Der halbisolierende Körper 1 trennt die Eingangsklemmen 4 und 5 elektrisch von den Ausgangsklemmen 8 und 9. Die einzige, zwischen dem Eingang und dem Ausgang bestehende Koppelung wird von der, den Körper 1 mit dem hohen Widerstand durchdringenden Strahlung bewirkt. Außerdem werden durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltungs-
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*t U «J I
elementes in einem einzigen Block Verluste vermieden, welche heim Strahlungsdurchgang durch Trennflächen zwischen Stoffen mit stark verschiedenen Brechungszahlen entstehen.
Figur 2 der Zeichnung zeigt ein Schaltungselement, welches dem in Figur 1 der Zeichnung dargestellten Schaltungselement in den meisten Einzelheiten sehr ähnlich ist, weshalb gleiche Teile auch mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Der Unterschied gegenüber dem Schaltungselement nach Figur 1 besteht bei dem in Figur 2 der Zeichnung dargestellten Schaltungselement darin, daß die aus einem Stück bestehende photoelektrische Schicht 7 der Anordnung nach Figur 1 nun durch einen p-n-Übergang 15 ersetzt ist, der zwischen einer Schicht 11 eines, auf der nach unten weisenden Oberfläche der halbisolierenden Scheibe 1 durch Epitaxie aufgebrachten, η-leitenden Halbleiters und einem p-leitenden Bereich 12 gebildet ist, welch letzterer wiederum auf die Oberfläche der Schicht 11 aufgebracht ist. An den Schichten 11 und 12 sind jeweils Ausgangsanschlüsse 13 und 14 befestigt. Bei diesem erfindungsgemäßen Schaltungselement ist es die elektromotorische Kraft zwischen den Ausgangsanschlüssen und 14, welche von der Intensität der durch den Körper 1 hindurchtretenden und auf den p-n-Übergang 15 auffallenden Strahlung abhängig ist.
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In Figur 3 der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung des in Figur 2 der Zeichnung dargestellten Schaltelementes gezeigt, wobei diese Weiterentwicklung aus einem einzigen, festen Schaltungselement besteht, welches mehrere, voneinander getrennte Eingänge aufweist und als "ODER"-Schaltglied arbeiten kann. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf einer halbisolierenden, einen hohen Widerstand aufweisenden, beispielsweise aus Galliumarsenid bestehenden Scheibe 21 auf der nach oben weisenden Oberfläche eine Schicht 22 aus halbleitendem Galliumarsenid des "
η-leitenden Typs aufgebracht und auf die Oberfläche dieser Schicht 22 sind ihrerseits mehrere, voneinander getrennte p-leitende Halbleiterabschnitte 23, 24 und 25 aufgebracht, welche mit der Schicht 22 aus η-leitendem Halbleitermaterial jeweils p-n-Übergänge 26, 2? und 28 bilden. An der n-leitenden Schicht 22 ist ein gemeinsamer elektrischer Anschluß 29 vorgesehen und an die p-leitenden Halbleiterabschnitte 23, 24 und 25 sind jeweils voneinander getrennte Einzelanschlüsse angelegt. Fließt bei diesem Schaltungselement nach der Erfindung , zwischen der Klemme 29 und irgendeinem der Einzelanschlüsse 30, 31 oder 32 in positiver Richtung ein Strom einer geeigneten Stärke, so wird von den entsprechenden p-n-Übergängen infrarote Strahlung emittiert und hierdurch an den Klemmen 13 und 14 ein Ausgangssignal erzeugt.
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Ist es wünschenswert ,die" verschiedenen lingangsanschlüsse des "ODER"-Schaltgliedes vollständig voneinander zu trennen, so kann das in Figur 4· der Zeichnung dargestellte Schaltungselement nach der Erfindung angewendet werden. In diesem Falle sind anstelle der einen, die Scheibe 21 bedeckenden, aus halbisolierendem Galliumarsenid bestehenden Schicht 22 verschiedene, voneinander getrennte η-leitende Halbleiterabschnitte 41, 4-2 und 4-3 auf der Oberfläche der halb isolierenden Scheibe 21 vorgesehen und auf diese Halbleiterabschnitte 4-1, 42 und 4-3 sind jeweils voneinander getrennte, p-leitende Schichten 44, 45 und 46, beispielsweise durch Epitaxie aufgebracht. Auf diese Weise werden auf der Oberfläche der Scheibe 21 mehrere, elektrisch voneinander getrennte Dioden gebildet, deren jede ein ihr zugeordnetes Anschlußklemmenpaar trägt. Mn Stromdurchgang durch eines dieser Anschlußklemmenpaare erzeugt eine Strahlung, welche das Ausgangssignal an den Ausgangsklemmen 13 und 14 verändert.
Die in den Figuren 3 und 4- der Zeichnung gezeigten "ODEH"-Schaltglieder können leicht zur Abgabe eines "WEDER"-Signales umgestaltet werden. Dies wird durch eine Verbindung der Ausgangsklemmen 13 und 14 des Schaltungselementes mit einem Transistor erreicht, welcher bei Eintreffen eines Signales nichtleitend geschaltet wird. Ist dies erforderlich,
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so kann ein derartiger Transistor und das erfindungsgemäße Schaltungselement als eine Einheit hergestellt seine Zusätzlich kann ein Transistor vorgesehen sein, der als Verstärkerzwischenstufe vorgeschaltet ist.
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Claims (8)

H89157 ti Patentansprüche
1. Elektrisches Schaltungselement, gekennzeichnet durch eine mit Eingangsanschlüssen (4-, 5) versehene, von einem p-n-Ubergang gebildete und bei positiver Vorspannung Strahlung emittierende Diode (2), ferner durch eine mit Ausgangsanschlüssen (8, 9) versehene Schicht (7) eines auf die genannte Strahlung ansprechenden Materials und durch einen mit der genannten Diode und der Schicht fest verbundenen, aus einem kristallinen, für die Strahlung der Diode durchlässigen Material von hohem Widerstand bestehenden Körper (1), welcher die Diode von der Schicht elektrisch isoliert.
2. Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (2) und die strahlungsempfindliche Schicht (7) auf dem Körper (1) mittels Epitaxie abgesetzt sind.
3. Schaltungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus halbisolierenden Formen von Galliumarsenid oder Galliumphosphid oder aus Legierungen dieser Verbindungen besteht.
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4. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die aus strahlungsempfindlichem Material bestehende Schicht (7) aus Germanium oder aus einer Germanium-Silizium-Legierung besteht.
5· Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus strahlungsempfindlichem Material bestehende Schicht (7) aus einer stark dotierten Galliumarsenidschicht besteht.
6. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß mehrere von einer p-n-Verbindung gebildete, Strahlung emittierende Dioden (23, 26, 24, 27, 25, 28) vorgesehen sind.
7· Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Moden (23, 26, 24, 27, 25, 28) einerseits von einer einzigen, auf dem, einen hohen Widerstand aufweisenden Körper (21) abgesetzten Halbleiterschicht (22) des einen Leitungstyps und andererseits von mehreren, auf dieser Halbleiterschicht angeordneten Halbleiterabschnitten (23, 24, 25) des anderen Leitungstyps gebildet sind und daß ein gemeinsamer, mit der Halbleiterschicht des einen -üeitungstyps verbundener Anschluß (29) sowie den Halbleiter-
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abschnitten des anderen Leitungstyps jeweils zugeordnete Einzelanschlüsse (30, 31, 32) vorgesehen sind.
8. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (44, 41, 45, 42, 46, 4J) voneinander durch den Körper (21) aus dem Material mit hohem Widerstand isoliert sind und daß jeder Diode jeweils ein Anschlußklemmenpaar zugeordnet ist.
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