DE1639265A1

DE1639265A1 - Halbleiterbauelement zur Transformation von Gleich- und Wechselspannungen

Info

Publication number: DE1639265A1
Application number: DE19681639265
Authority: DE
Inventors: Rutz Richard Frederick
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-01-13
Filing date: 1968-01-11
Publication date: 1970-07-09
Also published as: FR1548852A; GB1141098A; US3445686A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

10.1.68

si-sk

Anmelder: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl.
Aktenz.:

Neuanmeldung

Aktenz.

d.Anmeld.: Docket YO 966 019

Halbleiterbauelement zur Transformation von Gleich- und Wechselspannungen

Magnetische Transformatoren werden bereits seit langem in der Technik benutzt, wenn für die verschiedensten. Zwecke eine Spannungs- bzw. Stromumformung durchgeführt werden soll. Da dieser Art von Transformatoren als Mechanismus die bei der Änderung von magnetischen Flüssen auftretende Induktion von elektrischen Spannungen zugrunde liegt, ergeben bekanntlich nur an die Primärklemmen angelegte Wechselspannungen einen Ausgang an der Sekundärseite. Insbesondere bei manchen meßtechnischen Anwendungen verfährt man auch so, daß man die umzuformende Gleichspannung zunächst in eine Wechselspannung verwandelt, diese Wechselspannung dann mit den bekannten Wechselstromtransformatoren transformiert und schließlich das transformierte Signal wieder in eine Gleichspannung zurückverwandelt.

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Wie aus der Umständlichkeit der genannten Methode zu entnehmen ist, kann diese Art der Spannungsumformung kostenmässig gesehen nicht besonders günstig sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Pestkörperbauelement anzugeben, das in einfacher und billiger Weise eine Spannungstransformation durchzuführen gestattet, wobei auch Gleichspannungen transformierbar sein sollen. Außerdem soll· die Anordnung leicht in integrierter Bauweise platzsparend ausführbar sein. Auch soll das genannte Bauelement sich leicht mit weiteren Schaltkombinationen integrieren lassen und in der Lage sein, eine transformierte Ausgangspannung zu liefern, welche als Konstantstromversorgung für einen verhältnismässig grossen Impedanzbereich geeignet ist.

Das die genannten Aufgaben lösende Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungsbereich eines unter der Einwirkung einer angelegten Eingangsspannung Injektionsstrahlung lieferenden Primärüberganges mindestens zwei weitere in Serie geschaltete auf diese Injektionsstrahlung ansprechende Sekundärübergänge .elektrisch entkoppelt angeordnet_;sind. _: -5Λ

Einzelheiten des Erfindungsgedankens gehen aus der.folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Pigurenhervor. In diesen bedeuten: .

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Fig.1 eine schematische Darstellung eines ersten AusfUhrungsbeispieles eines Festkörpertransformators nach der Lehre der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 ein Strom-Spannungsdiagramm der das Ausgangssignal liefernden Übergänge der Vorrichtung nach Fig.1 bei Anwesenheit eines Lichteinganges am ElngangsUbergang;

Fig.3 eine schematische Jarstellung eines zweiten AusfUhrungsbeispieles eines Festkörpertransformators nach der Lehre der vorliegenden Erfindung;

Fig.k ein Strom-Spannungsdiagramm der das Ausgangssignal liefernden Übergänge der Vorrichtung der Fig.3 bei Anwesenheit eines Lichteirjangssignals am ElngangsUbergang;

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispie 1 entsprechend einer speziellen Ausführungsform in planarer Halbleitertechnologie; I

Fig.6 ein etwas modifiziertes Ausführungsbeispiel eines Festkörpertransformators mit einer zylindersymmetrischen Geometrie;

Fig.7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines FestkBppertransformators, bei dem zwischen Ausgangs- und Eingangsübergängen eine Rückführung vorgesehen ist;

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Fig.8 eine weitere Modifikation des Erfindungsgedankens, bei der die Betriebsweise bzw. die Anschlüsse zur Realisierung einer Abwärtstransforniation umgekehrt sind;

Fig.9 ein Diagramm, welches eine Schar von Strom-Spannungskennlinien sowie eine Lastkennlinie zeigt, welche die Festlegung des Arbeitspunktes des Fest« körpertransformators erläutern sollen und

Fig.10 ein letztes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Eingangsübergang nach Art eines Lasers betrieben wird.

Die in der Fig.1 dargestellte Ausführungsform des Festkörpertransformators nach der Erfindung wird in ihrer Gesamtheit von einem Einkristall 10 aus Galliumarsenid/ gebildet. Das Eingangssignal des Transformators liegt über einem PN-Übergang, der seinerseits die Trennfläche zwischen der N-leitenden Zone 14 und der P-leitenden Zond 16 bildet. Die P-leitende Zone 1£> 'kann in bekannter Weise durch Dotierung mit Zink und die N-leitende Zone- durch Dotieren mit Tellur erhalten werden. Es handelt sich hierbei um durch Diffusion erzeugte Übergänge obwohl auch mittels anderer Herstellungsverfahren erzeugte Übergangstypen benutzt werden können.

Die Eingangsspannung liegt über den beiden Elektroden 18 und 20, die ihrerseits ohmische Kontakte an die N- und P-leitenden Zonen 14 und 16 darstellen. Der in der Fig.1 dargestellte D/0 966 019 _009828/0s82

Transformator besitzt 4 einzelne Ausgangsdioden 24 A bis 24 D, die sovöil untereinander als auch bezüglich des das Eingangssignal führenden PN-Überganges 12 durch ein Gebiet isolierenden Halbleitermaterials 22 entkoppelt sind. Das hierzu benutzte Material ist als eigenleitendes Halbleitermaterial bekannt und weist fest isolierende Eigenschaften auf. Jede der genannten Ausgangsdioden umfaßt einen Übergang 26 zwischen einer P- und einer N-leitenden Zone, die mittels der gleichen Dotierungsmittel hergestellt werden können, wie sie oben in Verbindung mit dem Übergang 12 genannt wurden.

Die das Ausgangssignal erzeugenden Dioden werden in Serie geschaltet, indem die P-leitende Zone einer jeden Diode direkt mit der N-leitenden Zone der benachbarten Diode verbunden wird, so daß das elektrische Ausgangssignal des Transformators an den Endklemmen dieser Serienschaltung erscheint und an dem Lastwiderstand 50 abgenommen werden kann. Dieser ist mit der N-leitenden Zone der Diode 24A und mit der P-leitenden Zone der Diode 24B verbunden. Der Lastwiderstand 50 repräsentiert den Eingangswiderstand der von dem Transformator aus zu betreibenden Schaltung. Das Eingangssignal für den Transformator wird durch die Quelle geliefert, welche mit dem Eingangsübergang 12 elektrisch verbunden ist und die gleichzeitig eine Vorspannung in Flußrichtung über diesen Übergang liefert. Der Eingangsübergang 12 ist ein in effektiver Weise Rekomblnationstrahlung liefernder Übergang.

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Das bedeutet, daß bei Anliegen einer Vorspannung in Flußrichtung an diesem Übergang aufgrund von Ladungsträgerinjektion ein hoher Prozentsatz dieser injizierten Träger strahlende Übergänge erleiden. Die von dieser Strahlung gelieferte Energie und damit deren Frequenz hängt von den Energieniveaus ab, zwischen denen die Rekombinationsübergänge erfolgen. In einem Übergang, der aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenit besteht, ist der strahlende Energie abstand etwas geringer als es dem verbotenen Bandabstand entspricht, der bei Raumtemperatur etwa bei 1,35 eV liegt. Die von dem Übergang 12 hervorgerufene Rekoinbinationsstrahlung wird in der Fig.1 durch die Pfeile 3^ charakterisiert und diese Strahlung pflanzt sich durch die eigenleitende Zone 22 ohne wesentliche Verluste fort und trifft äuf.die Übergänge 26 einer jeden der Äusgangsdioden 24A bis 24 D. Die Übergänge dieser Dioden reagieren auf die Rekombinat ions strahlung, indem sie im allgemeinen sowohl einen Fotostrom als auch eine Fotospannung erzeugen.

Die Charakteristik der Fotoempfindlichkeit dieser Dioden ist in der Fig.2 dargestellt. Xn dieser Figur ist die Strom-Spannungskennlinie für jede dieser Diodän in Abwesenheit einer Rekombinationsstrahlung als Kurve Ho dargestellt. Der Verlauf dieser Kurve entspricht der Charakteristik eines PN-Überganges, wobei die einer in Flußriehtung angelegten Spannung entsprechende Abhängigkeit im ersten Quadranten und die der in Sperriehtung angelegten Spannung entsprechenden Kurvenverlauf im dritten

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Quadranten erscheint. Trifft auf eine dieser Übergänge eine Rekombinationsstrahlung in einem Bereich auf, der absorbiert werden kann, so ergibt sich nunmehr eine Strora-Spannungscharakteristik, wie sie In der Kurve 42 gezeigt ist. Wie aus der Figur hervorgeht ₉ schneidet die Kurve die Abszisse in

einem Punkt V, was damit gleichbedeutend ist, daß eine Poto-Λ

spannung dieser Größe übes? der fotoempfindlichen Diode entwickelt wird, sofern diese auf die Rekomblnationsstrahlung anspricht, wobei dies sogar in Abwesenheit eines Fotostroaes der Fall ist· Die Kurve 42 schneidet die ürdlnatenachse am Punkt I. was bedeutet, daß durch die Rekomblaationsstrahlung I ein Fotostrom hervorgerufen wicd, was insbesondere auch dann erfolgt, wenn keine Fotospannung als solche vorliegt. Der Punkt V₁ ist natürlich besonders bedeutsam für den Fall, daß ein unendlich hoher Widerstand über der Diode liegt und der Punkt I₁ ist charakteristisch für den umgekehrten Fall, wenn der an der Diode anliegende Widerstand verschwindet, wenn also Kurzschlußbedingungen vorliegen.

Der in Wirklichkeit für Jede der einzelnen Dioddn 24A - 24 D unter der Einwirkung von Rekombinationsstrahlung auftretende Strom bzw. Spannung wird letzten Endes festgelegt durch die Widerstandscharakteristik der Last, an «eiche die Ausgangsleistung abgegeben wird. Dieser Sachverhalt.wird durch 3 Lastkennlinien erläutert, die mit 44, 46 und 48 bezeichnet sind und die verschiedene Widerstände charakterisieren, welche über die einzelne Diode des geze^en Typs der Fig.1 betrieben werden. Besitzt der genannte Lastwiderstand einen

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sehr hohen Wert, wie es der Lastkennlinie 44 entspricht, so erscheint der Arbeitspunkt bei 42 A, und es wird eine Spannung entstehen, welche, sehr nahe bei der Maximalspannung V₁ gelegen ist und es' wird nur ein verhältnismäßig geringer Strom fließen. Liegt dagegen ein sehr niedriger Widerstand, wie er etwa der Lastkennlinie 48 entspricht, an einer einzelnen Diode an, so gelangt man zu dem Arbeitspunkt bei 42 B, in welchem Falle eine geringere Spannung erzeugt wird, jedoch ein entsprechend hoher Strom fließt. Liegt dagegen ein Widerstand vor, wie er durch die Lastlinie 46 festgelegt wird, und ~.st dieser Widerstand an eine einzelne Diode geschaltet, so gelangt man zu dem Arbeitspunkt bei 42 C, in welchem Falle eine verhältnismässig hohe Spannung bei einem gMchfalls ziemlich hohen Strom von der Diode geliefert werden.

Für Arbeitspunkte, die etwa dem mittleren Arbeitspunkt 42 C entsprechen, ist es augenscheinlich, daß infolge von Widerstands änderungen ziemlich abrupte Spannungs- und Stromänderungen eintreten können, und daß in diesen Arbeitspunktlagen höhere Ausgangsleistungen erreicht werden können. Betreibt man jedoch die Anordnung in einem Arbeitspunkt, etwa entsprechend 42 A, so bleibt die Ausgangsspannung über einen weiten Widerstandsbereich im wesentlichen konstant und der Ausgangsstrom variiert sehr rasch in Abhängigkeit von Widerstandsänderungen. Arbeitet man jedoch in einem Arbeitspunkt nahe Punkt 42 B, so verbleibt der Strom im wesentlichen konstant, und bei Widerstandsänderungen erhält man in Abhängigkeit von dieser Änderung eine abrupte Spannungs änderung.

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In Pig.2 repräsentiert die Kurwe 42 die Charakteristik für jede einzelne Diode 24A bis 24 D, wenn eine dieser Dioden der Rekombinationsstrahlung ausgesetzt ist und ein Widerstand über dem Übergang 26 der Diode anliegt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 sind 4 Dioden 24A bis 24D zu sehen, die in Serie miteinander geschaltet sind, so daß die über den Dioden entstehenden Spannungen summiert werden und die Gesamtsumme der Spannungen über dem Ausgangswiderstand 50 erscheint. Der durch die Serienschaltung fließende Strom ist natürlich zu allen Stellen gleich und durch den in irgendeiner Diode, bei Vorhandensein eines LicHifcgingangsBignals vorliegenden Sättigungsstrom begrenzt. Die Gesamtcharaktäristik dieser Dioden ist in Pig.2 durch die Kurve 50 dargestellt.

Diese Kurve schneidet die Abszisse im Punkt V₁,, woraus ersichtlich ist, daß die Spannung bei offenem Stromkreis im wesentlichen dem 4fachen der von einer einzelnen Diode gelieferten Spannung entspricht. Die Tatsache jedoch, daß die Kurve wie bei jeder einzelnen Diode die Ordinatenachse nach wie vor im Punkte I schneidet, zeigt, daß der Maximalstrom unter Kurzschlußbedingungen bei einem bestimmten Lichteingangssignal im wesentlichen der gleiche bleibt. Es sei daraufhingewiesen, daß die kombinierte Kennlinie der vier Dioden, repräsentiert durch die Kurve 50 im dritten ^uatanten der Figur einen geringeren Fotosättigungsstrom aufweist, als dies

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dem Sättigungsstrom entspricht, wie er durch die Kurve 42 für eine Einzeldiode dargestellt lsi?. Dies kann als gleichbedeutend mit der Tatsache aufgefaßt werden, daß bei der Serienschaltung der Dioden untereinander jede Diode im Effekt als Last der anderen Dioden innerhalb des Serienkreises wirkt und daß jede Diode die erzeugte Spannung bzw. den erzeugten Strom an die anderen Dioden der Serienschaltung abliefert. Die Kurve 50 repräsentiert jedoch die Strom-Spannungskennlinie der 4 in Serie geschalteten Dioden und zieht in Betracht, daß diese Dioden unter der Einwirkung einer Eingangsstrahlung einer Wechselwirkung untereinander unterliegen. Besitzt der über die Dioden geschaltäte Widerstand 30 einen wert, der der Lastlinie 44 entspricht, so erscheint der wirkliche Arbeitspunkt bei 50 A, in welchem Fall ein hoher Spannungsausgangswert realisiert wird. Die Lastkennlinien 46 und 48 schneiden die Kurven in Schnittpunkten, die im wesentlichen auf dem ziemlich horizontal verlaufenden Teil dieser Kurve liegen, zu der eine ziemlich niedrigere Ausgangsspannung bei entsprechend höherem Ausgangs-

.gehört
strom. Die Lastkennlinie 52 ist eingezeichnet, um den .nrbeitspunkt bei 50 B zu erhalten, welcher in einem Gebiet liegt, in dem sowohl ein hoher Strom, als auch eine verhältnismässig hohe Spannung gleichzeitig abgegeben werden können.

Durch Vergleichen der Steilheit der Lastkennlinie 52 mit derjenigen der Lastkennlinien 46 und der Schnittpunkte dieser Lastkennlinien mit der Kurve 42, welche die Stromspannungskennlinie für eine einzelne Diode darstellt, und der Kurve 50, D YO 966 019

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BAD

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welche die Stro&spannungskennlisile für die Serienschaltung der 4 Dioden ist* ist ersichtlich* dag die Wirkung des äußeren Widerstandes in Übereinstimung mit der Ansah! der Dioden, die miteinander durch Seriensciialtung in den Ausgangskreis gelegt sind, variiert. Es ist auch ersichtlich., daß bei Vorliegen einer hohen Ausgangsimpedanz große Spannungstransforisationen realisiert werden können. Wird die Impedanz des Ausgangskreises herabgesetzt«, s© ninant des Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung gleichfalls ab. Sine weitere vorteilhafte Eigenseliaft der Vorrichtung kann abgelesen werden an dem im wesentlichen horizontal verlaufenden Teil der Kurve 50» die sich zwischen dem Punkt I^ und dem Punkt 50 B erstreckt. In diesem Bereich wird ein im wesentlich konstanter Ausgangsstrom von dem Transformator geliefert.

An dieser Stelle sollte betont werden, daS bei der Struktur der Pig.1 keine der AusgäBgecl ionen Vorspannung führt. Es ist nicht erforderlich, irgendeine Vorspannungsenergie an diese Ausgangsdioden anzulegen. In dieser Hinsicht verhält sich die Anordnung der Fig.1 wie ein realfcer Transformator, da es nicht erforderlich ist, irgendeine Energie an den Sekundärkreis anzulegen, da die am Primärübergang eingebrachte Eingangsspannung durch den Pestkörpertransformator direkt transformiert wird. Wegen des Summationseffektes der Fotospannungen, die von jeder der in Serie miteinander verbundenen Diode erzeugt werden, ist die im Sekundärkreis erscheinende Spannung größer, als das für das angelegte Eingangssignal der Fall ist. Die transformierte

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Spannung kann erhöht werden durch Anbringung einer höheren Anzahl von in Serie miteinander verbundenen Dioden im Wirkungsbereich des Primärüberganges.

Es sollte weiterhin darauf hingewiesen werden, daß die Spannungstransformation sowohl für Wechselstromeingänge als auch für Gl.,iehstromeingänge stattfindet. Eine Gleichstromspannung kann von dem Pestkörpertransformator direkt transformiert werden, ohne daß es erforderlich wäre, eine vorherige Verwandlung dieser Spafnnung in eine Wechselspannung durchzuführen.

Wird eine lineare Wechselstromtransformation gewünscht, so wird der Eingangsübergang im wesentlichen innerhalb des linear verlaufenden Teils der Eingangscharakteristik vorgespannt und das Wechselstromeingangssignal wird zusätzlich zu dieser Vorqamnung angelegt. Inderartigen Fällen variiert der erhaltene Wechselstromausgang beidseitig eines Vorspannungswertes, wie er als Resultat der Gleichstromeingangsvorspannung ausgangsseitig reproduziert wird.

Das Ausfübrungsbeispiel der Fig.5 gleicht im wesentlichen demjenigen der Fig.1, Jedoch wird man bemerken, daß eine der Dioden, nämlich 2^S, eine kleinere Übergangsfläche besitzt als das für die restlichen Dioden 24A bis 24C der Fall ist.

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In Fig.4 sind die zugehörigen Stromspannungscharakteristiken der Dioden 24 A bis 24 C in einer Kurve, die mit 42 bezeichnet ist, eingezeichnet, da diese Charakteristik die gleiche ist, " wie sie bereits in Pig.2 gezeigt wurde. Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß auch hier diese Kurve die Kennlinie für jede Einzeldiode repräsentiert unddaß der Kurvenverlauf auch nur einergegebenenIntensität der auf die Diode auftreffenden Rekombinationsstrahlung entspricht. Eine weitere Kurve ist in Pig.4 mit 60 bezeichnet und stellt die·Charakteristik der Diode 24 E mit geringerer Übergangsfläche dar, die der gleichen Intensität der RekombinationsStrahlung wie die restlichen Dioden ausgesetzt ist. Da die von jeder Diode gelieferte Fotospannung hauptsächlich bestimmt ist durch die Energieniveaus.der Ausgangs- bzw. Sekundärübergänge, so liegt der Schnittpunkt der Kurve 60 mit der Abszisse sehr nahe bei demjenigen der Kurve 42. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß die Übergangsfläche der Diode 24 im Vergleich zu den restlichen Dioden geringer ist, besitzt diese Diode einen geringen Fotosättigungsstrom und schneidet daher die Ordinatenachee in einem Punkt I₂ , der, wie aus der Figur hervorgeht, einem Strom entspricht, der etwa der Hälfte des durch die anderen Dioden fließenden Stromes I.. entspricht. Wegen dieses geringeren viertes des Sättigungsstromes der Diode 24E entspricht die Gesamt· Charakteristik für die in Serie geschalteten Ausgangsdioden der Fig.5 der bei 62 gezeigten Kurve. Der Schnittpunkt mit der Abszisse bei V^ entspricht der Gesamtspannung über alle vier Dioden und besitzt im wesentlichen den gleichen Wert wie das in Fig.2 der Fall ist. Der Strom im Serienkreis ist jedoch wegen der Sättigungscharakteristik der kleineren Übergangs-

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fläche der Diode 24E auf einen viel geringeren Wert begrenzt als im Ausführungsbeispiel nach Pig.1. Wie in dem anderen Ausführungsbeispiel hängt der tatsächliche Ausgangswert von dem im Ausgangskreis liegenden Lastwiderstand ab. Diese Verhältnisse sind durch 5 Lastkennlinien dargestellt, die in der Fig.4 mit 6j>,6$ und 65 bezeichnet sind. Die Lastkennlinien definieren durch die Schnittpunkte mit der Kurve 62, die Arbeitspunkte 62 A, 62 B und 62 C.

Obwohl die Diode 24 E mit der kleineren Übergangsfläche den Bereich des Ausgangswiderstandes, bei welchem im wesentlichen eine konstante höhere Ausgangsspannung erhalten werden kann, begrenzt, so ist die anwendung einer derartigen Struktur in Kombination mit den anderen Dioden doch von Vorteil, wenn der Festkörpertransformator einen konstanten Strom innerhalb eines weiten Bereiches von äußeren Lastwiderständen liefern soll. Diese Eigenschaft geht daraus hervor, daß die letzten dreiviertel des Verlaufs der Gesamt-Charakteristik 62, ein Bereich der etwa bei Punkt Io beginnt, innerhalb des dritten Quadranten einen extrem horizontalen Verlauf nimmt. Diese konstante Stromcharakteristik wird verursacht durch die hohe, in Sperrichtung auftretende Impedanz der Diode 24 Ξ. Innerhalb des genannten Bereiches von Arbeitspunkten, der festgelegt ist durch den Widerstand dös Lastkreises wird daher ein im wesentlich konstanter Strom geliefert.

Diese Art der Serienschaltung, bei der eine der Dioden in abweichender Weise auf eine angelegte Spannung am Primärübergang

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reagiert, kann auch mittels anderer Halbleiterstrukturen als dies in Fig.J5 gezeigt ist, realisiert werden. Er ist gleichfalls möglich, die Geometrie der Anordnung so zu modifizieren, daß die Rekombinationsstrahlung, welche bei einer gegebenen Eingangsspannung auf eine der Dioden auftrifft, geringer ist, als das für die auf die anderen Dioden auftreffenden Strahlungsanteile der Fall ist. Es ist seiterhin möglich, den gleichen Sachverhalt auch durch geeignet abgeänderte Dotierungsniveaus zu bewirken, so daß eine der Ausgangsdioden in anderer Weise auf die Rekombinationsstrahlung reagiert, als die anderen Dioden.

Das in Fifo O^ze^e Ausführungsbeispiel entspricht elektrisch völlig dem in Fip.1 gezeigten. In dieser Figur sind auch die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.1 benutzt. Man sieht, daß die vier Ausgangsdioden 24 A bis 24 D an der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers liegen. Aufgrund der Herstellung grenzt die P-leitende Zone jedes Einzelüberganges an die N-leitende Zone des benachbarten Einzelüberganges, wodurch je eine zusätzliche unerwünschte Übergangsfläche entsteht. Die zur Verbindung zwischen den P-leitenden Zonen einer Diode und der N-leitenden Zone der nächsten Diode zur Serienschaltung erforderlichen Elektroden sind jedoch so angebracht, daß sie diese unerwünschten zusätzlichen Übergänge durch Kurzschluß unwirksam machen. Das Ausgangssignal wird abgenommen über die Elektrode 47, die einen ohmsehen Kontakt zu der N-leitenden Zone der ersten Diode 24A besitzt, sowie über die Elektrode 68, welche ohmisch mit der P-leitenden Zone der letzten Diode 24D kontaktiert ^ist009828/0552

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Wie aus der Fig.5 hervorgeht, erstrecken sich diese Elektroden über fast die gesamte Oberfläche der Struktur. Sie übernehmen zusätzlich die Aufgabe, den Lichtanteil der den Halbleiterkörper durchlaufen hat, zu den Sekundärübergängen zurück zu reflektieren. Es ist offensichtlich, daß das an dem Primärübergang 12 erzeugte Licht sich nicht nur nach oben in Richtung auf die Ausgangsübergänge zu fortpflanzt, wie dies durch die Pfeile 34 symbolisiert ist, sondern daß es auch nach abwärts auf die untere Seite der Vorrichtung gerichtet ist.Es können daher zur Erzielung eines besseren Wirkungsgrades Metallisierungen über die gesamte Oberfläche der Vorrichtung erstreckt werden, wobei geeignete Isolierschichten an Stellen einzufügen sind, zu denen die Rekombinationsstrahlung auf den Halbleiterkörper beschränkt werden soll.

Ein weiteres .Husführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist in Fig.6 dargestellt, welches weitgehend derjenigen der Fig.5 entspricht, mit Ausnahme, daß hier eine zylindersymmetrische Geometrie£pwählt wurde. Es sind wiederum gleiche Bezugsziffern benutzt, um funktionell analoge Komponenten hervorzuheben. Die Zylindersymmetrie der Fig.6 ist vorteilhaft zur Herstellung von symmetrischen Vorrichtungen, bei denen das Licht vom Primärübergang zu Jedem einzelnen Sekundärübergang im wesentlichen den gleichen Weg zurückzulegen hat. Durch Vervollständigung des Zylinder kann man offensichtlich ein Maximum der am Eingang erzeugten Lichtenergie in effektiver Weise auf die einzelnen Sekundärübergänge aufteilen. D YO 9.66 019

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Bisher wurden die Festkörpertransformatoren beschrieben als Gebilde, die aus einem einkfeistallinen Halbleitermaterial hergestellt waren. Derartige Vorrichtungen sind verhältnismässig einfach herzustellen, wobei die eigenleitende Zone die elektrische Isolation bzw. die Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt. Es ist jedoch auch möglich und manschmal vorteilhaft, die Vorrichtung nach dem vorliegenden Erfindungsgedanken so auszulegen, daß die Zone aus einem anderen Material hergestellt ist. Dieser kann z.B. ein Halbleitermaterial wie GalliumPhosphit sein, welches epitaktisch mit Galliumarsenid kombiniert werden kann, so daß insgesamt ein monokristalliner Körper entsteht. Das zweite Material wird so gewählt, daß es einen höheren verbotenen Bandabstand besitzt und daher weniger Strahlungsenergie absorbiert als insgesamt zwischen den Primär-und Sekundärübergängen zur Verfügung steht. In einigen Fällen ist es nicht nötig, den gesamten Transformator als monokristallinen Körper auszuführen. Es sind Strukturen denkbar, bei denen das isolierende Getoiet.von einem Material wie Epoxydharz gewählt wird, so daß die Rekombinationsstrahlung diesen Bereich des Körpers mit sehr geringen Verlusten zu durchsetzen in der Lage ist.

Obwohl die Ausführungsbeispiele der Figuren 1, 3, 5 und 6 sich mit der Darstellung des Festkörpertransformators selbst begnügen, so können derartige Transformatoren auch leicht, hergestellt werden unter Zugrundlegung des gleichen Substrates, D YO 966 019

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welches als Tr.äger für aktive Halbleiterelemente dient, die die Eingangssignale für den Transformator liefern und/oder die Ausgangssignale des Transformatas weiterverarbeiten. Eine derartige gewissermaßen Integrierte Fabrikation macht es möglich, Spannungen direkt von einem niedrigen zu einem höheren Niveau umzuformen, ohne daß das Signal das Halbleitersubstrat bzw. die monolithische Schaltung verlassen müßte. Weiterhin liegt auf der Hand, daß viel mehr Ausgangsdioden benutzt und in Serie geschaltet werden können, als dies in den gezeigten Figuren gezeigt ist. Es können auch Transformatoranzapfungen zur Realisierung verschiedenartiger gleihhzeitig verfügbarer Spannungsabgriffe vorgesehen werden.

Obwohl in den Ausführungsbeispielen für alle zu erstellenden übergänge weitgehend als Halbleitermaterial Galliumarsenid zugrunde gelegt wurde und obwohl Tellur bzw.Zink als Dotierungsmaterial angegeben wurden, so versteht es sich, daß in der Praxis auch andere Materialien verwendet werden können. Z.B. können entweder der Primärübergang, die ekundärübergänge oder sämtliche Übergänge unter Benutzung von Galliumarsenid hergestellt werden, welches in amphoterer V/eise mit Silizium dotiert wird.

So können z.B. unter Benutzung von Zink als Akuptorsubstanz

f Rekombinationsstrahlung liefernde Primärübergänge hergestellt werden, während eine amphotere Siliziumdotierung des Galliumarsenids zur Herstellung der Sekundärübergänge benutzt wird.

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In derartigen Vorrichtungen ist das verbotene Energieband zwischen den Störstellenniveaus der Sekundärübergänge etwas geringer als dies für den Primärübergang der Fall ist. Dies kann für einige nnwendungsfälle Vorteile bieten, da nunmehr eine ausreichende Absorption der Eingangsstrahlung gegeben ist, obwohl die Spannung, die aufgrund dieser Absorption entsteht, etwas geringer ausfallen wird. Es können auch Festkörpertransformatoren hergestellt werden unter Benutzung anderer Halbleitermaterialien, z.B. kann Indiumphosphid sowohl für den emittierenden Primär- als auch für die absorbierenden Sekundär-Ubergänge benutzt werden. Inderartigen Fällen benutzt man für die isolierende bzw. entkoppelnde Schicht halbisolierendes Galliumarsenid, welches epitaktisch mit Indiumphosphid kombiniert werden kann.

In amphoterer "Weise dotierte Galliumübergänge können mit geringer Ausschußquote erstellt werden unter Benutzung des Auflösungs- und des Rekristallisationsverfahrens, wobei als Dotierungsmittel u.a. Zink und Tellur verwendbar sind. Die Züchtung aus der Dampfphase wurde auch bei der Herstellung von übergängen, wie sie in der vorliegenden Erfindung eine Rolle spielen', mit Erfolg angewendet. Weiterhin können auch Diffusionsverfahren in Kombination mit Maskierungsverfahren mittels Abdeckschichten aus Siliziumoxyd angewendet werden, wie sie allgemein zur Herstellung integrierter Schaltungen in der Halbleitertechnik üblich sind.

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Für die Ausführungsbeispiele entsprechend den Fig.1 und 2 wurden die zugehörigen Spannungscharakteristiken in den.Fig. 2 und H gezeigt und die Arbeitsweise wurde zunächst unter Zugrundelegung eines konstanten Werts für die Eingangsstrahlungsintensität besprochen. Unter dieser Voraussetzung mußte natürlich an den Sekundärübergangen eine konstante Intensität bezüglich der Rekombinationsstrahlung angenommen werden.

In der Fig.9 ist nunmehr eine Kurvenschar 90 A - 90 D gezeigt, welche die Gesamtcharakteristik einer Gruppe von in Serie miteinander verbundenen Ausgangsdioden bei anwachsender Intensität der einwirkenden Rekomb!nationsstrahlung zeigt. Eine mit 9"J bezeichnete Lastkennlinie ist in die Figur eingetragen, um die mit zunehmender, auf die Ausgangsdioden einwirkende Strahlungsintensität,sich ergebende Arbeitsweise zu erläutern.

Da bei einer verhältnismässig hohen in Flußrichtung am Primär-

Ί2 anübergaj5g] liegenden Vorspannung dieser einen sehr geringen Widerstand aufweist, so können die höheren Spannungswerte, die entlang der Geraden 9I in Fig.9 liegen, nur dadurch sichergestellt werden, daß man im wesentlichen den Strom durch den Primärübergang genügend hoch hält, was lediglich eine relativ geringe änderung der üingangsspannung erfordern wird.

Die in der Fig.7 gezeigte Vorrichtung ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aus Gründen der Vereinfachung sind nur 2 Ausgangsdioden gezeigt. Die Anordnung unterscheidet sich von den vorher gezeigten Ausführungsbe!spielen D YO 966 019

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darin, daß die P- und N-leitenden Zonen, die den Primärübergang bilden, miteinander vertauscht sind. Eine derartige Vertauschung ist wegen der zwischen Eingangs- und Ausgangsseite bestehenden Entkopplung leicht möglich und kommt manchmal besonderen Erfordernissen der Schaltung oder des Herstellungsverfahrens entgegen. Die genannte Schaltung wurde ferner dadurch modifiziert, daß eine Verbindung 32A vorgesehen wurde, welche von der Eingangssignalquelle zur P-leitenden Zone einer Ausgangsdiode führt. Fernerhin liegt nunmehr der Ausgangswiderstand 30 zwischen der N-leitenden Zone der Diode 24 B und der Pxleitenden Zone der Diode 12. Unter diesen Voraussetzungen ist die Eingangsspannung eine negative Spannung, wie dies auch für die Ausgangsspannung zutrifft. Fernerhin wird wegen des Bestehens der Verbindung j52 A die Eingangsspannung im wesentlichen zu der dem Transformator gelieferten Ausgangspannung addiert. Dieser Transformatovtyp ist für manche Anwendungsarten von Vorteil, bei denen die Eingangsspannung des Transformators etwa das gleiche Niveau besitzt, wie das für die Ausgangsspannung der Fall ist.

In dum Ausführungsbeispiel nach Fig.8 ist die Struktur des Postkörpertransformators im wesentlichen dieselbe, wie bei allen zuvor gezeigten B'iguren. Jedoch sind die Eingangsleitungen in der Vorrichtung der Fig.8 verbunden mit den in S';rie gischalteten Dioden 2h A und 24 B und die Ausgang-Klemmen rühi'oH au d-anjenlren 2onen verschiedener Lyltfahigku i c, D tO .--r.-6 Oi-;

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welche als Trennfläche den Übergang 12 bilden. Bei einer derartigen Vertauschung von Primär- und Sekundärübergangen erhalt man eine Abwärtstransformation, wobei in entsprechender Weise der Strom eine /iufwärtstransformation erfährt. Die Anzahl der Dioden, die erforderlich sind, um den Strom in entsprechender Weise zu erhöhen, hängt ab von der Gesamteffektivität 'der Anordnung. In dieser Vorrichtung v/erden die Dioden 26 zur Erzeugung einer Rekombinationsstrahlung betrieben, die ihrerseits auf den Übergang 12 einwirkt, um an diesem ein .: Ausgangssignal hervorzurufen. Der Übergang 12 der Vorrichtung nach Fig.8 kann angesehen werden als Äquivalent einer Vielzahl von untereinander parallel geschalteten einzelnen Übergängen, die alle mit der gleichen Spannung beaufschlagt sind, während die jtröme der Übergänge sich jedoch additivverhalten. In den Ausführungsbeispielen der im vorstehenden beschriebenen Art, bei denen der Übergang 12 als Primärübergang des Transformators benutzt wurde, kann dieselbe Annahme g-ernaoht werden. Handelt es sich um einen langen übergang, so kann α er ".-;ider des Eingangskreises dadurch reduziert v/erden, daß man eine t-.nzahl verschiedener Kontakte an die P- und IJ-Zonen entlang deren Langsvstreckung anbringt oder daß man einzeln- Übergänge herstellt, und diese dann untereinander parallel ehaltet.

Das leIzce i.usführungsbeispiel nach Pig. 10 benutzt einen PrLmärüoai'gang 92 und ein Paar in Serie geschalte--: >.-,cundärdloden _:,'-_;1 und D. Die Übergänge 'jo dieser balaeri ; Iod :ii 0 iO 906 01.;;

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liegen in gleicher Höhe wie der Übergang 92 der Primärseite, da das angelegte Eingangssignal zur Anregung von stimulierter Emission auareicht. Dieses Licht pflanzt sich innerhalb der Übergangsebene fort und daher sind die Übergänge 96 so angeordnet, daß sie mit dem Übergang 92 fluchten. Die gesamte Vorrichtung ist entsprechend der Figur 10 auf einer Wärme ableitvorrichtung 9& aufgebaut, so daß die im Primärübergang entstehende Wärme abgeleitet werden kann, In manchen Fällen wird es sich empfehlen, im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Gegenstand der Erfindung auf von der Lasertechnik her bekannte spezielle Hilfsmittel und Kunstgriffe zurückzugreifen.

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Claims

10.1.68 si-sk Patentansprüche

1. Halbleiterbauelement zur Transformation von Gleich- und Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlungsbereich eines unter der Einwirkung einer angelegten Eingangsspannung Injektionsstrahlung lieferenden Primärüberganges (12) mindestens zwei weitere in Serie geschaltete auf diese Injektions strahlung ansprechende Sekundärübergänge elektrisch entkoppelt ange ordne t ε ind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Aufbau als Einkristall unter Verwendung einer eigenyLeitenden Halbleite'rschicht zur Entkopplung von Primär-und eikundärübergangen.

3. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Sekundärübergänge eine wesentlich niedrigere Photosättigungsspannung aufweist als die re.-tlichan Cekundärübergänge.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung als Konstant-StromqueHe .

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