DE1915290A1 - Licht aussendende Vorrichtung - Google Patents
Licht aussendende VorrichtungInfo
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Description
Licht aussendende Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft die direkte Umwandlung elektrischer
Energie in Licht. Eine Vorrichtung, in der dies geschieht, ist als Licht aussendende Diode bekannt. Sie enthält ein Halbleitermaterial
mit weitem Bandabstand, in dem durch geeignete Dotierung mit Fremdatomen ein p-n-Übergang ausgebildet ist. Wird an den
Übergang eine Vorspannung angelegt, so fließen die Elektronen vom η-Teil zum p-Teil und die Löcher fließen vom p-Teil zum n-Teil.
Bei Rekombxnation der Elektronen mit den Löchern wird sichtbares Licht erzeugt, wenn der Bandabstand ausreichend groß, d.h. etwa
2 eV oder größer ist.
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Die Mehrzahl der Halbleiter, einschließlich Germanium und Silicium,
weisen geringe Bandabstände auf, so daß ihre Strahlung im infraroten Bereich liegt. Es gibt verhältnismäßig wenige Materialien
mit weitem Bandabstand, die zum p- und n-Typus gemacht und leistungsfähige, Licht aussendende Dioden oder Körper bilden
können. Zu den brauchbaren Materialien gehört Galliumphosphid, das für Rot aussendende und Siliciumcarbid, das für Gelb aussendende
Dioden verwendet wird. Es ist jedoch kein Halbleitermaterial erhältlich, aus dem Vorrichtungen hergestellt worden sind,
die eine vergleichbare Helligkeit im Grün oder Blau aufweisen würden. Es gibt ein Grün aussendendes Galliumphosphid, dessen
Wirksamkeit jedoch weniger als 10 % derjenigen des Rot aussendenden Galliumphosphid beträgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiter bzw. eine Feststofflampe von relativ hoher Helligkeit und Leistungsfähigkeit,
die vorzugsweise im Grün oder Blau aussenden.
Das von einem Leuchtstoff ausgesandte Licht ist normalerweise weniger energiereich und weist deshalb eine längere Wellenlänge
als die Erregerstrahlung auf. Diese Tatsache wurde schon früh erkannt und im folgenden als Stoksches Gesetz bekannt. Der Grund
hierfür kann aus einer Betrachtung der Energieniveaus der Elektronen erklärt werden. Nach Photoerregung eines Atoms durch Licht
einer bestimmten Wellenlänge, bei der ein Elektron auf ein vorgegebenes Energieniveau angehoben wird, tritt infolge der Rekombination
des Gitters ein Energieabfall ein, der keine Strahlen
aussendet, ehe ein Licht aussendender Übergang in den Grundzustand eintritt. Die Lichtaussendung rührt deshalb aus einem kleineren
Energieübergang her und deshalb von einer größeren Wellenlänge. Es sind jetzt jedoch immerhin einige Leuchtstoffe bekannt,
und die dem Stokschen Gesetz nicht gehorchen/ die manchmal als Anti-Stoksche
Leuchtstoffe bezeichnet werden. Hierher gehören Leuchtstoffe, bei denen der Licht aussendende Mechanismus eine schrittweise
oder mehrstufige Erregung des Atoms beinhaltet. Beispielsweise regt in einer zweistufigen Erregung ein erstes Strahlungs-
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quant ein Elektron auf ein Niveau und anschließend ein anderes
Quant das gleiche Elektron auf ein höheres Energieniveau an. Ein übergang des Elektrons vom höheren Energieniveau zurück in
den Grundzustand bewirkt die Aussendung eines Strahlenquants, das .energiereicher.ist als jedes einzelne Erregerquant, Deshalb
hat die ausgesandte Strahlung des Leuchtstoffes eine kürzere Wellenlänge als,die Erregerstrahlung. Beispiele solcher Leuchtstoffe
sind ZnCdrAgCu, das von R.M. Potter in J. Elektrochem. Soc,
Seite 10bj 5.8 C, 1959, beschrieben wurde und das bei Raumtemperatur
und orangefarbener und infraroter Erregung grünes Licht
3 +
aussendet, und LaCl-:Pr , das von J,F, Porter jr» in Phys. Rev. Letters, S. 7., i+m (1961) beschrieben wurde.
aussendet, und LaCl-:Pr , das von J,F, Porter jr» in Phys. Rev. Letters, S. 7., i+m (1961) beschrieben wurde.
Der hauptsächliche Anreiz zur Entwicklung stufenweise erregter Leuchtstoffe war die Möglichkeit, sie zur Verbesserung des Wirkungsgrades
von Glühlampen zu verwenden, indem deren mehr als überflüssigeAuss^ndung infraroter Strahlung in sichtbares Licht
verwandelt wird. Bis auf den heutigen Tag konnte dieser Gedanke jedoch technisch nicht ausgenutzt werden, da die bekannten, stufenweise
erregbaren Leuchtstoffe mehr der sichtbaren Strahlung aus dem Glühfaden absorbieren als sie durch Umwandlung infraroter
Strahlung erzeugen.
Es wurde nun gefunden, daß verwendbare, Licht aussendende Vorrichtungen
dadurch hergestellt werden können, daß ein im Infrarot aussendender halbleiterkörper mit p-n-Übergang mit einem stufenweise
Infrarot erregten, sichtbares Licht aussendenden Leuchtstoff kombiniert wire. Die praktische Bedeutung dieser Kombination ist
eine Folge aes glücklichen Zusammentreffens der Charakteristika una aer Erfordernisse einer gewissen Gruppe stufenweise erregter
Leuchtstoffe von hohem Wirkungsgrad mit denen, der im Infrarot aussendenden Iialbleiterkörper bzw. -dioden mit p-n-Übergang.
Die Leuchtstoffe sind wie folgt zu kennzeichnen:
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1. Die Abhängigkeit der Ausbeute an sichtbarem Licht von der Intensität
des einfallenden Infrarot ist überlinear (superlinear) Die Leistung eines zweistufig erregbaren Leuchtstoffes nimmt
beispielsweise quadratisch mit der Intensität des einfallenden Infrarot zu und die Umwandlungsleistung nimmt nahezu
linear mit der Einfallsintensität zu. Dies macht es äußerst vorteilhaft, den Leuchtstoff mit den höchstmöglichen Infrarotintensitäten
zu erregen.
2. Der Wirkungsgrad der Leuchtstoffe nimmt ab, wenn ihre Temperatur
stark über die Raumtemperatur hinaus erhöht wird.
3. Das Erregungsspektrum des Leuchtstoffes ist eng und beträgt weniger als 1000 cm (Wellenzahlen) bei der halben Breite.
Die vorstehend aufgeführten Eigenschaften beschreiben allgemein die Klasse der mit Seltenen Erden aktivierten und im besonderen
die mit Ytterbium sensibilisierten Leuchtstoffe.
Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften machen diese Leuchtstoffe
zur Umwandlung der in Glühlampen verlorenen, infraroten Strahlungsenergie wenig geeignet,
1. Der Wolframfaden, im groben ähnlich einem schwarzen Körper bei 2 50O0C, ist eine Infrarotquelle, verhältnismäßig geringer
Intensität und die optische Verbindung mit einem Leuchtstoff wie er oben beschrieben wurde, führt zu einem sehr niedrigen
Wirkungsgrad.
2. Das Infrarot aus einer Glühquelle zeigt ein sehr weites Spektrum, etwa 10 000 cm (Wellenzahlen) der halben Breite
der Strahlung eines schwarzen Körpers bei 250O0C. Da das Erregungsspektrum
des Leuchtstoffes weniger als 1000 cm (Wellenzahlen) breit ist, geht der größte Teil der Energie
verloren.
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BAD ORIGINAL
3. Um eine Erwärmung des Leuchtstoffes durch die durch Strahlung, Konvektion oder Ableitung aus dem Faden übertragene Wärme zu
"vermeiden, müßte der Leuchtstoff vom Faden-räumlich entfernt,
beispielsweise auf der Wand der Umhüllung, angebracht werden. Dadurch wird die auf den Leuchtstoff auftreffende Intensität
beträchtlich, nämlich um mehr als das Zehnfache vermindert.
In der gemeinsamen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung passen dagegen die beschriebenen Eigenschaften der Leuchtstoffe
ausgezeichnet zu den Eigenschaften typischer im Infrarot aussendender Halbleiterelemente mit p-n-Übergang.
1. Diese Halbleiter sind zu einer sehr hohen Oberflächenintensität
des Infrarot fähig und nälv
strahlenden schwarzen Körpers.
strahlenden schwarzen Körpers.
tat des Infrarot fähig und nähern sich der eines bei 60000C
2. Aus diesen Halbleitern können, ohne daß sie stark erhitzt werden müßten, hohe Intensitäten des Infrarot als Ausbeute
erhalten werden und sie stellen deshalb echte Quellen "kalten Lichtes" dar.
3. Das Emissionsspektrum dieser Halbleiter ist relativ eng und ist geringer als 1000 cm" bei der halben Breite.
k. Die mittlere Energieaufnahme wird durch die Temperaturerhöhung
der Diode begrenzt, was zu einer Abnahme der geleisteten IR-Erzeugung führt. Diese Dioden können jedoch sehr schnell, in
hunderttausendstel Sekunden oder weniger, ab- und angeschaltet werden. Dadurch genügt ein Impuls von geringer Dauer, um
die Intensität der Sofortleistung mindestens um eine Größenordnung gegenüber der Leistung zu erhöhen, die bei gleicher
Energieaufnahme unter Gleichstrom aufrecht erhalten werden kann.
Daraus geht hervor, daß äußerst leistungsfähige Kombinationen dann erreicht werden, wenn das Erregungsspektrum eines bestimmten
Leuchtstoffes zum Emissionsspektrum einer vorgegebenen im Infra-
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rot aussendenden Vorrichtung mit p-n-Obergang paßt, d.h. wenn
Erregungs- und Emissionsspektren vollständig oder nahezu zusammenfallen.
Geeignete Kombinationen können als Leuchtstoff ein Fluorid des
Lanthan, Gadolinium oder Ytterbium verwendenj das durch Erbium
oder Thulium aktiviert und durch Ytterbium sensibilisiert ist. Diese Leuchtstoffe zeigen ein Erregungsspektrum, das von etwa
9000 bis 10 400 & reicht.
Andere für diese Kombinationen brauchbaren Leuchtstoffe sind die Oxysulfide des Lanthan, Gadolinium oder Yttrium, die durch Erbium
oder Thulium aktiviert und durch Ytterbium sensibilisiert sind.
Als eine im Infrarot aussendende Vorrichtung eignet sich eine Galliumarsenid-Diode, die einen p-n-Üfaergang aufweist und in der
das Gebiet der Leitfähigkeit des p-Typus unter Verwendung von Silicium als Akzeptor-Dotierungsmittel gebildet wird und dessen
Ausstrahlung innerhalb des Erregerspektrums des Leuchtstoffes liegt. Ein Vorteil der Verwendung von Silicium als Akzeptor-Dotierungsmittel
besteht, verglichen mit anderen möglichen Akzeptor« Fremdstoffen darin, daß die Spitze der spektralen Ausstrahlung
des entstehenden p-n-Überganges besser mit dem Leuchtstoff abgestimmt ("in tune") ist, d.h., daß die Spitze der Strahlung der
Diode und die Erregungsspitze des Leuchtstoffes näher zusammenfallen. Für das Gebiet des' n-Typus ist die Wahl des Dotierungsmittels nicht kritisch, obwohl hier Silicium wegen seiner ampho-.
teren Natur und der Einfachheit seiner Anwendung Verwendung finden kann.
Man kann den p-n-Übergang oder die Diode auf den Leuchtstoff auch dadurch abstimmen, daß man für den Körper, in dem der Übergang
ausgebildet wird, einen Mischkristall verwendet. Beispiele hierfür sind Mischkristalle aus Gallium-Indiumarsenid (Ga, In) As
und Galliumarsenxdantimonid Ga (As, Sb). In Mischkristallen kann die Spitze des Emissionsspektrums innerhalb gewisser Grenzen
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BAD ORIGiMAL
verschoben werden, indem die Verhältnisse der beiden Bestandteile,
d.h. das Verhältnis des Gallium zum Indium oder das Verhältnis
des Arsens zu Antimon variiert wird. Gebiete gegensinniger Leitfähigkeit zur Bildung eines p-n-Oberganges können beispielsweise dadurch erhalten werden, daß ein Kristall gezüchtet wird, der
aufgrund eines Zusatzes von Telur als Fremdstoff die Leitfähigkeit des n-Typus zeigt. Ein Gebiet der Leitfähigkeit des p-Typus kann dann durch Diffusion von Zink in das Material erhalten werden. Wahlweise kann auch Silicium als Dotierungsmittel des p-Typus verwendet werden.
des Arsens zu Antimon variiert wird. Gebiete gegensinniger Leitfähigkeit zur Bildung eines p-n-Oberganges können beispielsweise dadurch erhalten werden, daß ein Kristall gezüchtet wird, der
aufgrund eines Zusatzes von Telur als Fremdstoff die Leitfähigkeit des n-Typus zeigt. Ein Gebiet der Leitfähigkeit des p-Typus kann dann durch Diffusion von Zink in das Material erhalten werden. Wahlweise kann auch Silicium als Dotierungsmittel des p-Typus verwendet werden.
Der Leuchtstoff kann auf vielfache Weise optisch mit der Strahlungsquelle
in Verbindung gebracht werden. Eine einfache Anordnung besteht darin, daß der Leuchtstoff in einem geeigneten Bindemittel
suspendiert und auf die IR-aussendende Oberfläche der
Diode aufgetragen wird. Eine andere, optisch vorteilhafte Anordnung besteht darin, den Leuchtstoff als Einkristall zu züchten
und ihn mit dem Diodenkristall in enge optische Verbindung zu
bringen.
Diode aufgetragen wird. Eine andere, optisch vorteilhafte Anordnung besteht darin, den Leuchtstoff als Einkristall zu züchten
und ihn mit dem Diodenkristall in enge optische Verbindung zu
bringen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden
anhand der Zeichnung näher beschrieben.
In Fig. 1 zeigt die ausgezogene Kurve ein charakteristisches
Erregungsspektrum von Lanthanfluorid, das mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium aktiviert ist. Die spezielle Kurve stellt das Spektrum des Lan o-F0Ybn ΛΟΕνΓι -.„ dar. Die Intensität des
Leuchten von Er hängt sowohl von der Menge des anwesenden Yb und von der Intensität der innerhalb des Yb-Absorptionsbandes liegenden einfallenden Strahlung ab. Im Bereich der gemessenen Einfallsintensität ändert sich das Leuchten mit dem Quadrat der einfallenden Strahlung, was zeigt, daß zwei Infrarotquanten zur Erzeugung eines Quants sichtbaren Lichtes erforderlich sind. Das
Erregungsspektrum von Lanthanfluorid, das mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium aktiviert ist. Die spezielle Kurve stellt das Spektrum des Lan o-F0Ybn ΛΟΕνΓι -.„ dar. Die Intensität des
Leuchten von Er hängt sowohl von der Menge des anwesenden Yb und von der Intensität der innerhalb des Yb-Absorptionsbandes liegenden einfallenden Strahlung ab. Im Bereich der gemessenen Einfallsintensität ändert sich das Leuchten mit dem Quadrat der einfallenden Strahlung, was zeigt, daß zwei Infrarotquanten zur Erzeugung eines Quants sichtbaren Lichtes erforderlich sind. Das
ο +3 —l
Erregungsspektrum erstreckt sich von etwa 9100 A (11.0 χ 10 cm )
bis 10 200 R (9.8 χ 10 cm) und die Bandbreite beträgt bei
halber Intensität etwa 500 cm" . Die gestrichelt gezeichnete
Linie stellt das Emissionsspektrum des Galliumarsenids dar, wobei
halber Intensität etwa 500 cm" . Die gestrichelt gezeichnete
Linie stellt das Emissionsspektrum des Galliumarsenids dar, wobei
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Silicium als amphoteres Dotierungsmittel zur Erzeugung eines
p-n-Überganges verwendet wurde. Die Bandbreite des Emissionsspektrums beträgt bei halber Intensität ebenfalls etwa 500 cm"
Zwischen der Erregungskurve des Leuchtstoffes und der Emissionskurve der Diode besteht eine enge Annäherung bzw. ein Zusammen- ·
fallen der Spitzen, so daß daraus eine leistungsfähige Kombination entsteht.
In den Fig. 2 a bis c wird eine erfindungsgemäße, Licht aussendende
Diode oder Feststofflampe auf aufeinanderfolgenden Stufen ihrer Fertigung gezeigt. Bei 1 ist ein auf einem Kopfstück 2
des Transistortypus aufmontierter Kristallsplitter aus Galliumarsenid gezeigt, der richtig dotiert ist, um einen Übergang zu
bilden, und bei dem Silicium als Akzeptor-Fremdstoff verwendet ist. Das Kopfstück hat eine vergoldete Basisscheibe, an deren
Unterseite ein geerdeter Bleidraht 3 befestigt ist. Ein anderer Bleidraht 4 führt durch die Scheibe hindurch und ist davon durch
eine Hülse 5 isoliert. Der Galliumarsenidsplitter ist mit dem'p-Teil
nach unten leitend mit der Kopfscheibe verbunden, was zweckmäßigerweise
durch Anlegieren oder Löten unter Verwendung von vorzugsweise Indium-Zink oder auch Blei-Indium-Zink, Silber-Indium-Zink
oder Gold-Zink als bindende Legierungen geschieht und durch die ein ohmjfscher Kontakt hergestellt wird. Zum/Teil wird
eine ohmsche Verbindung dadurch hergestellt, daß vorzugsweise Zinn, aber auch Gold-Germanium oder Silber-Indium-Germanium als
Lötmittel in Form eines kleinen Punktes 6 an den η-Teil angeschmolzen wird, ehe es auf dem Kopfstück aufmontiert wird. Nachdem
der Splitter auf dem Kopfstück aufmontiert ist, wird ein weicher Metalldraht 7, vorzugsweise aus Gold, auf dem legierten
Punkt 6 der Oberseite der Halterung durch Thermokompression befestigt, nach der Seite umgebogen und auf der Spitze des durch
die Scheibe hindurchführenden Bleidrahtes 4, wie es in Fig. 2 a gezeigt ist, durch Thermokompression befestigt.
Der Lanthanfluorid-Leuchtstoff kann mit dem im Infrarot aussendenden
Kristall dadurch in optische Verbindung gebracht werden, daß er in einem geeigneten Bindemittel, wie beispielsweise einem
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Polymeren, suspendiert wird. Polystyrol hat sich hierfür als brauchbar erwiesen. Ein Tropfen des Leuchtstoffes, der in Polystyrol
suspendiert ist, das in einem Verdünner wie Aceton aufgelöst ist, wird auf das Kopfstück aufgebracht und trocknen gelassen,
per Leuchtstoff in dem Polystyrol erhärtet als Klecks 8
auf dem Kopf stück^ wie es Fig. 2 b zeigt und bedeckt den Kristallsplitter bis zu einer Stärke von wenigen Tausendstel eines Zentimeters.
Als Isolator hat der Leuchtstoff in dem Polystyrol keinen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung. Das
Kopfstück kann durch eine Metallbüchse oder Abdeckung 9 abgedeckt sein, die in ihrer Wand, wie es Fig. 2 c zeigt, eine Linse 10
aufweist, um die Diode und den Leuchtstoff zu umhüllen und zu schützen. Wahlweise kann auch eine Ganzglashülle verwendet werden,
die sehr einfach an der Basisscheibe festgeklebt werden kann.
Nach Anlegung von 1,5 Volt Gleichstrom an die Diode mit der angegebenen
Polarität, betrug der Eingangsstrom 100 mA und die Vorrichtung leuchtete grün auf. Im Zentrum des Leuchtstoff-Kunststoffkleckses,
der über dem Kristallsplitter lag, betrug die Helligkeit 70 bis 100 Lambert je Quadratfuß (70 - 100 footlamberts).
Diese Helligkeit ist bei normaler Raumbeleuchtung leicht zu erkennen..
Für eine Blau aussendende Feststofflampe wird die Verwendung von Lanthanfluprid, aktiviert mit Thulium und sensibilisiert mit
Ytterbium, vorgezogen. Eine spezifische, geeignete Zusammensetzung ist LaOi7985F3Ybo<2QTmO!OO15. Ansonsten kann die Feststofflampe
auf die gleiche Weise hergestellt werden, wie es obenstehend beschrieben wurde.
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Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHELicht aussendende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen im Infrarot aussendenden Halbleiterkörper mit p-n-Übergang, der innerhalb eines engen Spektralbereiches von nicht mehr als 1000 cm" (Wellenzahl) im Infrarot mit einer Intensität Strahlen aussendet, die größer ist als die eines schwarzen Körpers bei 25000C und einen stufenweise erregten Leuchtstoff aufweist, der IR-Energie in sichtbares Licht verwandelt und ein Erregungsspektrum aufweist, das sich im wesentlichen mit dem Emissionsspektrum des Halbleiterkörpers deckt, wobei der Leuchtstoff mit diesem Halbleiterkörper auf eine Weise optisch verbunden ist, daß er dessen Infrarotstrahlung empfängt und sichtbares Licht aussendet.2, Licht aussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff mit Seltenen Erden aktiviert und mit Ytterbium sensibilisiert ist.3. Licht aussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der mit Seltenen Erden aktivierte Leuchtstoff mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium oder Thulium aktiviert ist.H. Licht aussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper mit p-n-Übergang aus Galliumarsenid, Gallium-Indiumarsenid oder Galliumarsenidantimonid besteht.5. Licht aussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper mit p-n-Übergang aus Galliumarsenid mit Silicium als Dotierungsmittel des p-Typus besteht und der Leuchtstoff ein mit Seltenen Erden aktivierter und mit Ytterbium sensibilisierter Leuchtstoff ist, bei dem als Aktivator Erbium oder Thulium verwendet wird.909840/12 016. Licht aussendende Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff aus Lanthan-, Gadolinium- oder Yttriumfluorid oder -oxysulfid besteht, das mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium oder Thulium aktiviert ist.7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 in einer Feststofflampe, die einen Halbleiterkristallsplitter enthält, der aus Galliumarsenid, Gallium-Indiumarsenid oder Galliumarsenidantimonid besteht und einen p-n-Übergang aufweist, der über einen engen Spektralbereich, der nicht breiter als etwa lOOOcm (Wellenzahl) im Infrarot mit einer Intensität ausstrahlt, die größer ist als die eines schwarzen Körpers bei 250O0C, weiterhin ein Kopfstück, auf dem dieser Kristallsplitter aufmontiert ist, eine Vorrichtung auf diesem Kopfstück zur Herstellung einer ohmschen Verbindung zu beiden Seiten dieses Kristallsplitters und einen stufenweise erregten Leuchtstoff aufweist, der infrarote Energie in sichtbares Licht verwandelt und ein Erregungsspektrum hat, das sich im wesentlichen mit dem Emissionsspektrum dieses Halbleiterkörpers deckt, und der Leuchtstoff in einem Bindemittel dispergiert ist, das den Kristallsplitter überzieht.8. Feststofflampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff aus einem Fluorid des Lanthan, Gadolinium oder Yttrium besteht, das mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium oder Thulium aktiviert ist.9. Feststofflampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall aus Galliumarsenid mit Silicium als Dotierungsmittel des p-Typus und der Leuchtstoff aus Lanthanfluorid besteht, das mit Ytterbium sensibilisiert und mit Erbium oder Thulium aktiviert ist.909840/1201Leerte
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