DE1591083A1

DE1591083A1 - Elektrisches Abtastsystem mit Festkoerperelementen

Info

Publication number: DE1591083A1
Application number: DE19661591083
Authority: DE
Inventors: Sandbank Carl Peter
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1965-10-27
Filing date: 1966-10-18
Publication date: 1969-07-17
Also published as: CH477732A; BE688935A; FR1498772A; NL6615167A; SE321703B; GB1136254A; US3434008A

Description

78 Freiburg,Hans-Bunte-Str.19 _10# Oktober I966

Pat.Go./S.

ISE/Reg. 3479 - Pl 396

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i. Br.

Elektrisches Abtastsystem mit Festkörperelementen

Die Priorität der Anmeldung in Großbritanien vom 27. Oktober 1965 Nr. 45 460/65 ist in Anspruch genommen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abtastsystem mit Festkörperelementen aus einem Halbleitermaterial, das bei hohen Feldstärken bewegliche Unstabilitätseffekte aufweist.

Wird ein Kristall von gewissen Halbleitermaterialien einem einen kritischen Wert überschreitenden stationären elektrischen Feld ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende resultierende Strom eine Schwingungskomponente, deren Frequenz durch den Durchlauf der Raumladungsverteilung zwischen den Kontaktflächen des Kristalls bestimmt wird. Es gibt einige Erscheinungsformen, von denen drei wie folgt sich äußern:

a. Zuerst wurde von J.B.Gunn beriohtet (Solid State Communications, Band 1, Seite 88, I963) daß bei III-V-Halbleitern die Ersoheinung auf den Elektronenübergang von einem hohen in einen niedrigen Zustand der Beweglichkeit zurückzuführen ist.

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b. Bei Cd S beruht diese Erscheinung auf der Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustischen Phononen.

c. Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß aufgrund von feldabhängigen Beweglichkeiten in Verbindung mit Einfangeffekten in Germanium unter geeigneten Bedingungen sehr langsam bewegende Unstabllitätsberelohe (domains) erhalten werden können.

Die Schwingungsfrequenz ist in erster Linie durch die Länge den Strompfades durch den Kristall gegeben. Wie oben festgestellt, wurde die Erscheinung sowohl in III-V-Halbleitern, wie Gallium-Arsenld und Indium-Phosphid vom n-Leitfähigkeitstyp, als auch bei piezoelektrischen Halbleitern nachgewiesen.

Wie oben festgestellt wurde, beruht bei piezoelektrischen Halbleitern die Erscheinung der Unstabilitätsbereiohe (domain) auf die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und akustischen Phononen. Ein Phonon wird als Quant der Gittersohwingungsenergie in einem Kristallgitter definiert.

Der hier verwendete Ausdruck "Halbleitermaterial mit Uhstabilitätseffekten bei hoher Feldstärke" umfaßt zumindest irgendein Material, das den im vorigen Abschnitt definierten Effekt oder eine ähnliche damit funktionell in Beziehung stehende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen inneren Mechanismus beruhen kann.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dem ein spontanes Seibetschwingen nioht auftritt, wird als Schwellwert bezeichnet. Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an Irgendeinem Punkt Innerhalb des Körpers aufgrund eines Eingangsignales über den Sohwellwert während einer kürzeren als die Übergangszeit der

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Unstabilität zwischen den beiden Kontaktflächen, an die das Feld angelegt wird, gebracht, dann wird der von der äußeren Quelle der Potentialdifferenz durch den Körper bewirkte Stromflu'-ü einem einzelnen Ausschlag über seinen Normalwert erleiden, so da.2 sich ein leistungsverstärkter Ausgangs impuls ergibt.

Um den in vorigen Abschnitt beschriebenen Einzelimpulsbetrieb zu erzielen, müß der Stationärwert des angelegten Feldes einen niederen Schwellwert übersteigen, der experimentell bei gegebenem Material als charakteristisch zwischen 50 % und 75 % des Schwellwertes liegend ermittelt wurde. Der Stationärwert des Feldes kann ununterbrochen oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung im Bauelement impulsförmig angelegt werden.

Eine derartige Anordnung kann, wie weiter unten ausgeführt wird, nach der vorliegenden Erfindung für ein Abtastsystem mit Festkörperelementen, die zur Itawandlung eines durch einen Eingangsimpuls gesteuerten einseitig geriohteten Quellstroms in einen entsprechenden Zug von Ausgangsimpulsen befähigt sind, verwendet werden.

Die Beobachtungs- oder Abbildungsbedingungen hängen von einer über einen kleinen Flächenbereich der Platte bzw. über ein Element eines Mosaiks abfallenden Spannung (oder hohe elektrische Feldstärke) ab. Die Modulation kann gleichzeitig mittels einer an der ganzen Fläche der Platte bzw. allen Elementen des Mosaiks angebrachten Elektrode abgetastet oder bewirkt werden. Beim Systeu sind Mittel zum Erzielen eines Bereichs örtlich erhöhter elektrischer Feldstärke vorgesehen, der eine Festkörperplatte zur Lichtanzeige oder Abbildung abtastet.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Abtastsystem mit Festkörperelementen, deren Halbleiterkörper bei hohen elektrischen

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Feldstärken, welche beim Anlegen von Spannungen zwischen zwei Kontakten eines jeden Halbleiterelements Uhetabilitätseffekte aufweisen, wenn die Spannung zwischen den beiden Kontakten einen Schwellwert überschreitet, oberhalb dessen längs der Halbleiterkörper sich Unstabilitätsbereiohe zwischen den Kontakten fortpflanzen. Das Abtastsystem zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß den Koordinaten des Abtastsystems je eines zweier der Halbleiterelemente zugeordnet sind, deren sich fortpflanzende Unstabilitätsbereiche am Abtastpunkt des Abtastsystems eine örtliche zum Abtasten geeignete Wirkung hoher elektrischer Feldstärke ergeben.

Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus n-leitendem Gallium-Arsenid oder Indlum-Phosphid. Es können auch andere III-V-Halblelter und piezoelektrische Halbleitermaterialien verwendet werden.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand der den Figuren der Zeichnung zu entnehmenden AusfUhrungsbeisplelen erläutert werden, wobei

die Figur 1 schematisch einen Impulsgenerator zeigt, bei dem die Spannungen der Unstabilitätsbereiche an der Anode abgetastet werden,

die Figuren 2 bis 4 andere Impulsgeneratoranordnungen veranschaulichen, bei denen die Spannung der Unstabilitätsbereiche durch eine oder mehrere Elektroden entlang dem Halbleiterkörper abgetastet wird,

die Figur 5 in Draufsicht und Vorderansicht ein Abtastsystem mit Festkörperelementen nach der Erfindung und

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die Figur 6 in Draufsicht und Vorderansicht eine weitere Ausführungsform eines Abtastsystems mit Pestkörperelementen nach der Erfindung veranschaulicht.

Das wirksame Halbleiterelement gemäß Figur 1 besteht beispielsweise aus einer parallelflächigen Scheibe 1 mit ohmsohen Kontaktflächen 2 an den Randflächen eines Körpers aus n-leitendem Galliuni-Arsenid oder piezoelektrischem Halbleitermaterial. Mit Hilfe einer einseitig gerichteten Stromquelle wird eine Potentialdifferenz von einstellbarem Wert zwischen die Kontaktflächen 2 angelegt. Der Ausgangskreis würde zur Ableitung irgendeiner Schwingungskomponente des durch den Kristall fließenden Stroms angeschlossen sein.

Die in obigen Abschnitten beschriebene Erscheinung äußert sich durch das Auftreten einer Schwingungskomponente des durch den Kristall 1 fließenden Stromes im Ausgangskreis (nicht dargestellt in der Zeichnung), wenn die von der einseitig gerichteten Stromquelle Über den Kristall angelegte Potentialdifferenz einen kritischen Wert überschreitet, der bei einem Kristall aus Oallium-

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Arsenid mit einer Länge von 2 · 10 cm bei einem zum Erzeugen einer Schwingung erforderlichen Wert in der Größenordnung von 40 Volt liegt, was innerhalb des Kristalles eine Feldstärke in der Größenordnung von 2 000 Volt pro cm bedeutet. Die Eigenschwingungsfrequenz, die unmittelbar mit der Länge L dee Kristalles in Beziehung steht, liegt dabei in der Größenordnung von 10° Hz.

Die zwischen die Kontaktflächen 2 angelegte Potentialdifferenz beträgt ein experimentell bestimmter Bruchteil der zum Hervorrufen eines SelbstSchwingens erforderlichen. Sie wird derartig gewählt, daß der Kristall durch darüber überlagerte Schwingungen

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oder Steuerimpulse einer äußeren Quelle für kurze Zeitintervalle während jeder Perlode der Eingangsfrequenz in den Zustand seines Selbstschwingens gebraoht wird. Der Spitzenwert der oszillierenden Signalspannung wird mit anderen Worten derartig bemessen« daß das elektrische Felde innerhalb des Kristalles gerade Über den Schwellwert angehoben wird. Unter diesen Bedingungen wurde gefunden« daß jede Anregung des Kristalls -beispielsweise durch die Spitze eines Steuerimpulses 2 - einen eine Leistung aus der Potentialquelle ziehenden scharfen Stromimpuls 4 bewirkt, der im Ausgangskreis ersoheint. Eine an das Bauelement angelegte oszillierende Wellenform wird somit einen entsprechenden Zug von soharfen Stroraimpulsen bewirken, die am Ausgang erscheinen. Die Wirkungsweise des Elements ist augenscheinlich unabhängig von der Frequenz, vorausgesetzt, daß die Eigenschwingungsfrequenz niemals überschritten wird. Die verfügbare Ausgangsleistung der Elemente hängt von der abfUhrbaren Verlustleistung des Kristalls 1 ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen. Da der Wirkungsgrad aber ziemlich niedrig ist, wird in diesem Falle eine relativ hohe Verlustleistung innerhalb des Kristalls auftreten. Das Betriebspotential kann zur Verminderung der Dauerverlustleistung Impulsformig angelegt werden.

Die Figuren 2 bis 4 der Zeichnungen zeigen schematisoh Alternativformen von Impulsgeneratoren, bei dem das Halbleiterelement zum Herstellen komplexer Wellenformen und Phasendifferenzen

bei Frequenzen in der Größenordnung von ICr Hz abgewandelt 1st. Bei diesen Anordnungen weist der Halbleiterkristall 5 an seinen Endflächen Kontaktflächen 6 auf, über die die Potentialdifferenz und die Eingangsschwingung bzw. der Steuerimpuls 3 in gleicher Welse wie bei der Anordnung gemäß Figur 1 angelegt wird. Der Ausgangekreis bei diesen Elementen ist jedoch abgewandelt, Indem weitere Reihen von Kontaktflächen 8 auf eine der Oberfläohenseite

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des Halbleiterkristalls elektrisch isoliert davon durch eine Schicht aus isolierendem Material, wie Quarz, aufgebracht sind. Die Mehrfaohelektroden sind somit in der Nähe des Unstabilitätsbereiches bei hohen Feldstärken im Bauelement angeordnet. Breitet sich nun die hohe Feldstärke, welche sich in Form von scharfen Stromimpulsen im Ausgangskreis äußert, aufgrund des Anlegens des Steuerimpulses 3 jeder Halbwelle des sinusförmigen dem angelegten Feld überlagerten Eingangsignales entlang des Elementes aus, so daß der Schwellwert den kritischen Wert des Elementes überschreitet, dann wird der Uhstabilitätsbereich nacheinander durch Jede der Kontaktflächen 8 wahrgenommen und kapazitiv über die Schicht 7 als Reihen von AusgangsImpulsen gemäß Figur 2 in den Ausgang gekoppelt. Durch geeignete Anordnung der Kontaktflächen 8 könnte der Ausgang des Bauelementes in getrennte Kreise mit geeigneter Verzögerung, wie durch die Wellenformen 10 und 11 gemäß Figur 3 veranschaulicht, eingespeist werden. Es könnte auch eine Vielfalt von Kodieruitgen in den Impuls gemäß Figur 4 eingebaut werden.

Ein Abtastsystem nach der Erfindung mit bei hohen elektrischen Feldern betriebenen Festkörperelementen der in den vorigen Abschnitten beschriebenen Art veranschaulicht die Figur 5.

Bei der Figur 5 ist eine Glasplatte 10, auf der sich ein aufgedampftes Raster von dünnen, der X- oder Horizontalabtastung entsprechenden Metallelektroden 11 befindet, mit einer Schicht 12 von elektrolumineszentem Material bedeckt. Eine weitere Glasplatte 13 enthält eine weitere der Y- oder Vertikalabtastung entsprechenden Reihe von Elektroden 14, die in bezug auf die Lumineszenzstrahlung durchlässig sein sollten. Somit würde ein Glimmen an irgendeinem Schnittpunkt zweier einzelner X- und Y-Elektroden auftreten, wenn dort eine Potentialdifferenz vorhanden ist.

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Die Enden der beiden Raster sind an die Ränder der Glasplatten 10 und IJ geführt. Unmittelbar unter ihnen befindet eich ein in X-Richtung angeordnetes längsgestrecktes Kristallelement I5, beispielsweise aus Gallium-Arsenid, und in X-Riohtung ein ähnliches Element 16« beispielsweise aus Cadmium-Sulfid (Cd S). An den Endflächen der Kristalle 15 und 16 sind ohmsche Kontaktflächen 17 bzw. 18 wie bereits beschrieben befestigt, an die mittels einer Quelle einseitig geriohteten Stromes eine Potentialdifferenz von einstellbarem Wert angelegt wird. Auf einer Oberflächenseite der Kristalle 16 und I5 sind Schichten 19 bzw. 20 aus Isoliermaterial wie Quarz angeordnet.

Es wurde nachgewiesen, daß beim Anlegen einer hohen Feldstärke an beispielsweise Oallium-Arsenid das PeId im Kristall sich in einen die größte Länge des Kristalls einnehmenden Bereich niedriger Feldstärke und einen Bereich hoher Feldstärke, an dem ein wesentlicher Teil der von außen angelegten Potentialdifferenz über einen sehr kleinen Teil der Gesamtlänge des Kristalls abfällt, aufteilt. Dieser scharfe Spannungssprung pflanzt sloh durch ein Kristall mit einer wohl definierbaren Geschwindigkeit von nahezu 10' om / sek. fort.

Bei dem System gemäß Figur 5 äußert sich somit der Spannungssprung durch einen Abfrageimpuls mit großer Potentialdifferenz, der an den hintereinander angeordneten Elektroden des Y-Rasters erscheint, da der Unstabilitätsbereich hoher Feldstärke der reihenach mit jeder Elektrode kapazitiv über die Schicht 19 gekoppelt wird. Ein weiterer Unstabilltätsbereioh würde ausgelöst, sobald der vorhergehende in die rechte Elektrode eingetreten ist, wenn die Kristalle oberhalb der Eigenschwingungsfrequenz betrieben werden. Das Element kann auoh impulsweise betrieben werden, wie bereite festgestellt wurde. Dabei kann zwischen dem Auslösen der Impulse ein Zwischenraum beliebiger Zeitdauer vorhanden sein.

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Es wurde oben festgestellt, daß ein ähnlicher Effekt in Cd S beobachtet wurde. Es wurde angenommen, daß dieser auf die Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustischen Phononen beruht. Beim vorliegenden Abtastsystem ist von Bedeutung, daß die Unstabilitätsbereiche in Cd S sich mit einer eng mit der Schallgeschwindigkeit im Kristall zusammenhängenden Geschwindigkeit fortbewegen, nämlich etwa 2 · 1(P cm pro aek. Diese ist zur Vertikalabtastung geeignet, da sie genügend langsamer ist als die der Horizontalabtastung. Der Kopplungsmeohanismus zwischen den Uhstabllitätsbereichen im Cd S und dem X-Raster ist der Gleiche wie beim Y-Raster beschrieben. Selbstverständlich muß bei der Auswahl der Polaritäten für die Erregungsfelder beachtet werden, daß die Wirkungen der Potentiale zweier Unstabilltätsbereiche beim Aufeinandertreffen an einem Punkt sich addieren. Obige Anordnung stellt ein gänzlich aus Festkörpern bestehendes System dar, das einen Rasterlichtpunkt liefert, der sich rasch von links nach rechts und langsamer nach unten bewegt.

Es wurde nicht versucht, den Mechanismus der Lumineszenz oder Modulation zu beschreiben. Die letztere könnte naturgemäß mittels einer Elektrode durchgeführt werden, die das ganze Gitter bedeckt und derartig vorgespannt ist, daß ihre Wirkung sich zur Summe der Potentiale auf den X- und Y-Elektroden addiert.

Beim System gemäß Figur 5 wird ein Raster von Elektroden verwendet. Das Verfahren des Systems könnte aber ohne ein derartiges Raster verwirklicht werden.

Die Figur β veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform des oben beschriebenen Abtastsystems mit Festkörperelementen· Es enthält eine Halbleiterplatte 21, beispielsweise aus Gallium-Areenld. An deren linken und rechten Rand sind zwei ohmsehe

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Flächenkontakte 22, wie oben beschrieben, befestigt, so daß aioh ein die gesamte Breite der Platte einnehmender Unstabilitätsbereich von links naoh rechts fortbewegt. Auf einer Oberflächenseite der Platte 21 wird eine dünne Schicht 25 aus Isoliermaterial wie Quarz hergestellt. Eine gleichartige Platte 23 aus Halbleitermaterial« beispielsweise Cd S, mit Elektroden 24, die wie oben beschrieben am oberen und unteren Rand befestigt sind, weist eine Isolierschicht 26 oberhalb der Platte 21 auf. Zwischen die Platten 21 und 23 isc eine lumineszente Scheibe 27 eingefügt.

Bei diesem System erscheint die Maximalfeldstärke am Punkt zweier sich kreuzender Unstabilitätsbereiche, näralioh des Unstabilitätsberelches 28 im Cd S und des Unstabilitätsbereiches 29 im Gallium-Arsenid. Die Begrenzung der Erregungsfläche in den Platten würde entweder durch Aufteilung in ein isoliertes Mosaikmuster oder durch den Flächenwiderstand der Lumineszenz» platte 27 gegeben sein. Die Scheibe zwischen den beiden Kristallen würde widerum eine über die Gesamtabmessung wirksame Abtastoder Steuerelektrode aufweisen, deren Wirkung sich zu dem durch das Aufeinandertreffen der zwei Unstabilitätsbereiohe bewirkte Feld addieren würde.

In der Praxis wurden Unstabilitätsbereiche dieser Arten lediglich über Entfernungen von einigen Millimetern beobachtet. Das begrenzt die Fläche, über die eine Abtastung erzielt werden kann. Die vorliegende Begrenzung scheint größtenteils durch die Materialien gegeben zu sein. Es scheint kein zwingender Grund zu bestehen, weshalb größere Platten nicht funktionieren, wenn ausreichend einheitliche Kristalle hergestellt werden können. Das Auflösungsvermögen des gesamten Uhstabilltätsbereiohes erscheint bezeichnenderweis· 1/1000 inch zu betragen. Da aber die Feldstärke in dem Unstabilitätsbereioh wahrscheinlich eine Funktion der Lage im Unstabilitätsbereioh ist, sollten hohe

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Auflösungen möglich sein, wenn eine Vorspannung zwischen den Sohwellgrenzen angewendet werden kann.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung muß nicht auf die Ausnutzung der beiden der veranschaulichten Erscheinungsformen von ünstabilitätsbereichen beschränkt werden. Es wurde beispielsweise nachgewiesen, daß aufgrund feldabhängiger Beweglichkeiten mit Einfangseffekten im Germanium unter geeigneten Bedingungen sehr langsam bewegliche Ünstabilitätsbereiche erhalten werden können. Dadurch wird der mögliche Bereich der erzielbaren Abtastgeschwindigkeiten erweitert. Die vorliegende Erfindung ist somit nioht nur bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwirklichbar.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

/ 1. Abtastsystem mit Pestkörperelementen, deren Halbleiterkörper bei hohen elektrischen Feldstärken, welche beim Anlegen von Spannungen zwischen zwei Kontakten eines jeden Halbleiterelements Unstabilitätseffekte aufweisen, wenn die Spannung zwisohen den beiden Kontakten einen Schwellwert überschreitet, oberhalb dessen längs der Körper sich Unstabilitätsbereiche zwisohen den Kontakten fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß den Koordinaten des Abtastsystems je eines zweier der Festkörperelemente (15, 16, 21, 23} zugeordnet sind, deren sich fortpflanzende Unstabilitätsbereiohe am Abtastpunkt des Abtastsystems eine örtliche zum Abtasten geeignete Wirkung hoher elektrischer Feldstärke ergeben.
2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei plattenförmigen Festkörperelementen (21, 23) eine Schicht (27) aus elektrolumlneszierendem Material mit aufgebrachten Isolierschichten (25, 26) angeordnet ist (Pig. 6).
3. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elementen (I5, 16) zwischen deren Kontakte (I7, 18) Raster von sich kreuzenden dünnen Metallelektroden (11, 14) eines zwei-dimensionalen Koordinatensystems angebracht sind, und daß zwischen den beiden Rastern eine Schicht (12) aus elektrolumineszierendem Material angeordnet ist (Fig. 5).

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4. Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet« daß zwischen den Metallelektroden des Rasters (11, 14) und der Sohicht (12) eine Isolierschicht angeordnet 1st.
5. Abtastsystem nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Raster auf durchsichtigen Schichten (10, I3) von Isoliermaterial, beispielsweise Glas, angeordnet sind.
6. Abtastsystem naoh Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eines der Raster (11, 14) aus Metall besteht, welches in bezug auf die Strahlung des Iumineszier enden Materials durchlässig ist.
7. Abtastsystem nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohicht (12) aus elektrolumineszierendem Material in ein Muster gegeneinander Isolierte Mosaikelemente aufgeteilt ist*
8. Abtastsystem nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7# dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Quarz besteht .
9* Abtastsystem naoh Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Halbleitermaterial, insbesondere Oallium-Arsenid, bestehen.
10. Abtastsystem nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein Element aus Gallium-Arsenid und das andere Element aus Cadraium-Sulphld besteht.

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