DE1639414C3 - Optoelektronisches Bauelement - Google Patents
Optoelektronisches BauelementInfo
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Description
R"
R'
O2N
20
wobei R, R', R" = H oder CH3 sind und das
Koppelmedium (3) entweder ein Azorarbstoff
X=Y = N, eine Schiffsche Base X = CH, Y = N oder eine Stilbenverbindung X=Y = CH ist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium (3) aus dem Kupplungsprodukt aus
p-Nitrophenyldiazoniumchlorid mit m-Toluidin
besteht.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium
(3) aus dem Kondensationspiodukt aus p-Nitrobenzaldehyd und 2,5-Diaminotoluol
besteht.
4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium (3) aus einem insbesondere aus dem
in Dimethylformamid durch Einwirkung von Natriumamia aus p-Nitrotoluol entstehenden Anion
und einem p-Aminobenzaldehyd gebildeten Stilbenfarbstoff besteht.
- 5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Koppelmedium (3) zur Herabsetzung der Kristallisationsneigung Zusätze wie Harze
oder 3kernige Schiffsche Basen beigefügt sind.
50
55-
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauglement mit einer Lumineszenzdiode aus Galliumarsenid
und einer dazu parallel angeordneten Fotodiode aus Silizium und einem dazwischenliegenden,
die Lumineszenzdiode und die Fotodiode miteinander terbindenden Koppelmedium, dessen Brechungsindex
•ahezu gleich den Brechungsindizes von Galliumarsenid und Silizium ist.
Es ist bekannt, eine zur Lichtemission befähigte Lumineszenzdiode mit einer strahlungsempfindlichen
Fotodiode über ein Koppelmedium zu verbinden.
Dieses Koppelmedium muß sowohl eine gute mechanische
Verbindung als auch eine möglichst hohe optische Kopplung beider Dioden gewährleisten und
außerdem elektrisch gut isolieren, so daß Sende- und Empfängerdiode elektrisch entkoppelt sind.
Die erwünschte gute optische Kopplung macht die Verwendung eines Koppelmediums erforderlich,
dessen Material eine hohe Durchlässigkeit des von der Lumineszenzdiode emittierten Lichtes aufweist
und dessen Brechungsindex zur Herabsetzung der Reflexionsverluste dieses Lichtes den Brechungsindizes der hochbrechenden Materialien der Sende-
und Empfängerdiode nahezu gleich ist Da hochbrechende
Substanzen häufig auch hoch schmelzen oder falls sie glasig erstarren, äußerst spröde sind und
deshalb'bei niedriger Temperatur abplatzen, war man bisher gezwungen, als optische Kittmasse
Epoxydharze zu verwenden. Da deren Brechungsindex aber nur etwa 1,5 beträgt, sind die Verluste
bei übertritt des Lichtes von der Lumineszenzdiode in das Harz infolge der Totalreflexion sehr groß. In
der Literatur ist eine Vielzahl von Substanzen angeeeben welche hohe Brechungsindizes und verhältnismäßig
niedrige Schmelz- bzw. Erweichungspunkte besitzen bei Raumtemperatur sind jedoch diese ausschließlich
anorganischen Materialien häufig bereits spröde, andere, wie halogenhaltige (Jod), wiederum
aceressiv. .... .
Zum Erzielen eines hohen externen Wirkungsgrades eines optoelektronischen Bauelementes darf
das verwendete Koppelmedium jedoch zumindest bei Zimmertemperatur nicht spröde sein, es muß
vielmehr guten Kontakt mit den Knstalloberflachen haben Das bedeutet, daß sich höchstens ein Spalt
mit einer Breite von weniger als einer halben Lichtwellenlänge des von der Lumineszenzdiode emittierten
Lichtes in der Lichtstrecke zwischen Lumineszenzdiode und Fotodiode bilden darf, damit es nicht
zur Reflexion des erzeugten Lichtes gegen Luft kommen kann. Hochbrechende Chalkogenidgläser, wie
sie aus »Optoelectronic Devices and Circuits«, McGraw-Hill" Book Company, New York, San
Francisco, Toronto, London, 1964, S. 249 bis 253, bekanntgeworden sind, haben jedoch einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der sich etwa um den Faktor 10 von dem des Siliziums der Fotodiode
bzw dem des Galliumarsenids der Lumineszenzdiode unterscheidet. Daher ist ein Haften von Chalkogenidgläsern
an den zu koppelden Diodenoberflächen nur dann gewährleistet, wenn eine gewisse Plastizität in
dem Temperaturbereich erhalten bleibt, in dem das optoelektronische Bauelement betrieben werden soll.
Dieser Bereich erstreckt sich von etwa -40 bis +100 C. Das macht es erforderlich, Chalkogenidgläser
mit einem niedrigen Erweichungspunkt auszuwählen. Es hat sich aber gezeigt, daß sich bei Verwendung
dieser speziellen Gläser, die auch bei niedrigen Temperaturen noch plastisch sind, der Sperrstrom
der Fotodiode vom Erweichungspunkt des Glases ab erhöht, weil örtlich Ionen frei werden können,
die sich im Feld der Fotodiode so anordnen, daß in dieser Diode ein Kanal entgegengesetzter Leitfähigkeit
induziert wird, der das Fließen des unerwünscht hohen Sperrstromes bewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement mit hohem externem
Wirkungsgrad anzugeben, dessen Koppelmedium aus einem Material besteht, das neben der
gewünschten Plastizität eine geringe Absorption des von der Lumineszenzdiode emittierten Lichtes und
einen hohen Brechungsindex aufweist, daß beide Dioden gegeneinander genügend elektrisch isoliert
und in dem bei Betrieb der Diode örtlich keine ionen frei werden können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein optoelektronisches Bauelement der eingangs genannten
Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Koppelmedium aus einer organischen Verbindung
mit folgender Strukturformel besteht
R"
R'
O,
-N
wobei R, R', R" = H oder CH3 sind und das Koppelmedium
entweder ein Azofarbstoff X = Y = N, eine Schiffsche Base X = CH, Y = N oder eine Stilbenverbinäung
X = Y = CH ist.
Diese Verbindungen sind an sich bekannt.
Als Azofarbstoff eignet sich insbesondere das Kupplungsprodukt aus p-Nitrophenyldiazoniumchlorid mit
m-Toluidin
O2N-
Als geeignete Schiffsche Base ist z. B. das Kondensationsprodukt
p-Nitrobenzaldehyd und 2,5-Diaminotoluol
O2N
-CH=N
-NH2 (III)
/u nennen, bekannte geeignete Stilbenverbindungen sind z. B. p-Amino- und p-Dimethylamino-p'-nitrost
Üben
-CH=CH
-N
R = H
R = CH3
R = CH3
(IV)
(V)
In »Berichte der Bunscngescllschaft für physikalische
Chemie« 71 (1967), S. 303 bis 313, insbesondere S. 310, sind Kurven für Brechungsindex und
Absorptionskoeffizient eines »Echtrot«-Textilfarbstoffes in Abhängigkeit von der Wellenlänge angegeben.
Diese für Farbstoffe charakteristischen Kurven zeigen, daß die Absorption nach dem Maximum zu längeren
Wellen hin stark abnimmt und im Roten den Minimalwert von k = 0,2 erreicht. Der Brechungsindex
beträgt dort etwa 2,0.
Für die erfindungsgemäßen Koppelsubstanzen, die ebenfalls Rotfarbstoffe sind, sind qualitativ ähnliche
Kurven zu erwarten wie die Absorptionskurve für p-Nitro-p'-amino-benzalanilin, einer Schiffschen Base,
in Bull. Soc. Chim. Beig. 57 (1948). S. 32 bis 49, insbesondere F i g. 1 auf S. 36, zeigt. Der Brechungsindex
dürfte jedoch höher sein, da die genannten Substanzen keine für die Faseraffinität verantwortlichen
Gruppen besitzen, welche optisch wirkungslos sind und daher einen Verdünnungseffekl bewirken.
Ein weiterer Hinweis auf einen hohen Brechungsindex der Koppclsubstanzen findet sich in Ber. d. Bunscngcs. f. phys. Chem. 67 (1963), S. 465 bis 470. Ein hoher Brechungsindex liegt bekanntlich dann vor, wenn die Teilchen des Mediums eine große Polarisierbarkeit besitzen, d.h., daß ein äußeres elektrisches Feld ein hohes Dipolmomcnt induzieren kann, also z. B. auch Licht. Die Dipolmomente der beiden obigen Stilbenverbindungen IV und V im Grundzustand und im angeregten Zustand sind der Tabelle auf S. AV) zu entnehmen. Die Verbindung V weist darin das höchste Dipolmomenl im angeregten Zustand auf.
Ein weiterer Hinweis auf einen hohen Brechungsindex der Koppclsubstanzen findet sich in Ber. d. Bunscngcs. f. phys. Chem. 67 (1963), S. 465 bis 470. Ein hoher Brechungsindex liegt bekanntlich dann vor, wenn die Teilchen des Mediums eine große Polarisierbarkeit besitzen, d.h., daß ein äußeres elektrisches Feld ein hohes Dipolmomcnt induzieren kann, also z. B. auch Licht. Die Dipolmomente der beiden obigen Stilbenverbindungen IV und V im Grundzustand und im angeregten Zustand sind der Tabelle auf S. AV) zu entnehmen. Die Verbindung V weist darin das höchste Dipolmomenl im angeregten Zustand auf.
Versuche mit den erfindungsgemäßen Koppelmedien haben jedoch ergeben, daß deren Lichtübergang
etwa 2.5mal so groß ist als bei Luft, vorausgesetzt, daß der Abstand der beiden Halbleiter von
etwa 150 μτη eingehalten wird. Bei den Epoxidharzen
dagegen wird der Gewinn an Lichtübergang auf Grund des gegenüber Luft erhöhten Brechungsindex
durch die Absorption fast kompensiert.
Wie bereits erwähnt, vermeidet man an den Molekülen der Koppelmedien nach Möglichkeit Seitenketten,
die einen Verdünnungseffekt verursachen.
Gänzlich ohne Alkylliganden kommt man jedoch nicht aus. Vorteilhaft wird daher bei der Synthese
der Schiffschen Base nicht einfach p-Phcnylendiamin, sondern 2,5-Diaminololuol verwendet. Die Mcthylseitengruppe
erschwert die Kristallisation, so daß die geschmolzene Substanz glasig erstarrt. Bei der Darstellung
des Azofarbstoffes kann nicht an Anilin gekuppelt werden, da in diesem Fall eine N-Kupplung
zum Triazen stattfinden würde. m-Toluidin ergibt dagegen das C'-Kupplungsprodukl (siehe z. B.
H. ZoI linger. Chemie der Azofarbstoffe, Birkhäuscr
Verlag Basel und Stuttgart [19581, S. 99 und 103). Die Seitengruppe wirkt sich wieder günstig auf
die erschwerte Kristallisation aus.
Bezüglich des Stilbenfarbstoffes sei erwähnt, daß der einfachste p-Aminobenzaldchyd polymer ist, so
daß man auf N-alkylierte Verbindungen angewiesen 'st.
Das Vorhandensein von Seitengruppen ergibt zwar bereits günstige Eigenschaften hinsichtlich der erschwerten
Kristallisation. Durch geeignete Zusätze können diese aber noch verbessert werden. Als Zusalz
besonders geeignet sind ungefähr 10% Harz, aber z. B. auch die nach ähnlichen Verfahren hergestellten
3kcrnigen Verbindungen. Vorteilhaft ist z. B. die Verwendung einer Schiffschen Base aus
p-Nitrobcnzaldehyd, p-Phenylendiamin und p-(Dimethylamino)bcnzaldehyd.
Man erhält diese Verbindung durch Kondensation der gereinigten einfachen Schiffschen Base aus den beiden ersleren und obigen
Benzaldehyd in der Schmelze. Entsprechende Pro-
5
dukte mit Seitengruppen erhält man auf gleiche Weise (nicht dargestellt):
VCH=N-/~~S—NH2 + H2O
V^r
C^N—/~~S-CH=N—/"S-NH2+C^
Schmelze
CH3
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels
hervor.
Die Figur zeigt schematisch in Seitenansicht ein optoelektronisches Bauelement gemäß der Erfindung.
Es besteht aus einer scheibenförmigen Lumineszenzdiode 1, insbesondere einer Galliumarsenid-Lumineszenzdiode,
einer scheibenförmigen Fotodiode 2, insbesondere einer Silizium-P'lanar-Fotodiode. sowie
einem die parallel zueinander zweckmäßig in einem Abstand von etwa 150 μΐη angeordneten Dioden 1, 2
mechanisch miteinander verbindenden, elektrisch gut gegeneinander isolierenden und den durch eine aus
SiO2 gebildete Isolierschicht 4 geschützten Rand des
pn-Uberganges der Fotodiode 2 überdeckenden Koppelmedium
3. Das Koppelmedium 3 besteht aus einem hochbrechenden, optisch gut durchlässigen
organischen Farbstoff mit ausgedehntem >?T-Elcktronensystem,
der auch bei niedrigen Betriebstemperaturen noch gut an den Oberflächen der Dioden 1. 2
bzw. der SiO2-Schicht 4 haftet.
Die über das Koppelmedium 3 mit der Lumineszenzdiode 1 verbundene Fotodiode 2 sitzt auf
einer vergoldeten Metallgrundplatte 5, deren Unterteil
6 mit einem isolierenden Normalglas ausgefüllt ist. Die Lumineszenzdiode 1 ist über die Kontakte 8.
9 in Flußrichtung, die Fotodiode 2 über die Kontakte 10, 11 in Sperrichtung gepolt. Die Mctallkontakte 8.
9, 11 sind über Glaskörper 7 gegen die Metallgrundplatte
5 isoliert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Optoelektronisches Bauelement mit einer Lumineszenzdiode aus Galliumarsenid und einer
dazu parallel angeordneten Fotodiode aus SiIi- »um und einem dazwischenliegenden, die Lumineszenzdiode
und die Fotodiode miteinander verbindenden Koppelmedium, dessen Brechungsindex •ahezu gleich den Brechungsindizes von Galliumarsenid
und Silizium ist, dadurch gekennz e i c h η et. daß das Koppelmedium (3) aus einer
organischen Verbindung mit folgender Strukturformel besteht:
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DES0114291 | 1968-02-23 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| DE1639414C3 true DE1639414C3 (de) | 1975-04-24 |
Family
ID=7533071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19681639414 Expired DE1639414C3 (de) | 1968-02-23 | 1968-02-23 | Optoelektronisches Bauelement |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE1639414C3 (de) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2388412A1 (fr) * | 1977-04-18 | 1978-11-17 | Radiotechnique Compelec | Element isolant pour dispositif optoelectronique photocoupleur et dispositifs comportant un tel element |
| DE59405248D1 (de) * | 1993-09-23 | 1998-03-19 | Siemens Ag | Optokoppler und Verfahren zu dessen Herstellung |
-
1968
- 1968-02-23 DE DE19681639414 patent/DE1639414C3/de not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE1639414A1 (de) | 1971-02-25 |
| DE1639414B2 (de) | 1974-09-12 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |