DE2046244A1 - Elektro optisches Netzwerk zur selek tiven Erzeugung eines Einzelimpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit von einem einzigen Triggerimpuls - Google Patents

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8000 München 2 18. September 197 T 3833 / case PG25-7022

Matsushita Electric Industrial Company, Limited

Osaka, Japan

Elektro-optisches Netzwerk zur selektiven Erzeugung eines Einzelimpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit von einem einzigen Triggerimpuls

(Si Ot

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrox optisches Netzwerk mit einer Injektions_relektrolumineszenten Flächendiode und einem Photoleiter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Elektro-optisches Netzwerk, das elektrisch getrennte Einheiten besitzt und Anwendungen b$i der Kommunikation in elektrischen Rechnern findet.

BAD ORIQiNAL

In dem erfindungsgeraäßen Netzwert werden Halbleiter-Impulsgeneratoren verwendet.

Durch die Erfindung wird ein Elektro-optisches Netzwerk zur selektiven Erzeugung eines Einzelimpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Triggerimpulses geschaffen, das eine Injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode besitzt, die mit einem photoleitenden Element strahlungsgekoppelt ist, eine impulserzeugende Diode, die mit dem photoleitenden Element in Serie geschaltet ist, eine erste elektrische Schaltung zum Anlegen einer Vorspannung an die Injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode, eine mit der eisten elektrischen Schaltung verbundene Eingangseinrichtung, eine zweite elektrische Schaltung mit einer Vorspannungsquelle, die an die Serienkombination des photoleitenden Elements und der impulserzeugenden Diode angeschlossen ist, und eine Ausgangseinrichtung, die mit der zweiten elektrischen Schaltung verbunden ist, wobei die erste und zweite elektrische Schal- w tung voneinander elektrisch isoliert, jedoch optisch miteinander gekoppelt sind, um Energie von der ersten Schaltung der Injektions-elektrolumineszenten impulserzeugenden Diode auf die zwei-

te Schaltung des photoleitenden Elements zu übertragen. Weiterhin wird mit der Erfindung eine Injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode geschaffen, die eine Halbleiterscheibe mit einer Leitfähigkeiteart besitzt, einen Hochwiderstandsbereich, der nahe einer Hauptoberfläche der Scheibe gebildet ist. eine Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeitsart, der nahe der

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entgegengesetzten Hauptoberfläche der Scheibe gebildet ist, wobei ein pn-übergang zwischen den beiden Bereichen gebildet wird, und ein paar leitender Elektroden, die jeweils in ohm'schein Kontakt mit einer der.Hauptflächen der Scheibe gehalten sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen en Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer

in dem vorliegenden Elektro-optischen Netzwerk verwendeten impulserzeugenden Diode;

Fig. 2 und 3 sind graphische Darstellungen ,die das Prinzp der Schwingung erläutern, die mit der impulserzeugenden Diode nach Fig. 1 zu erhalten ist.

Fig. k ist ein schematisches Schaubild einer lnjektions- elektrolumineszenten impulserzeugenden Diode, die in .dem vorliegenden Elektro-optischen Netzwerk verwendet wird;

Fig. 5 ist ein Schaltbild des vorliegenden Elektrooptischen Netzwerkes; und

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Arbeitsweise des vor-1098U/2275"

-inliegenden Elektro- optischen Netzwerkes erläutert.

Bevor das Konzept der Erfindung näher beschrieben wird, erscheint es vorteilhaft, das Prinzip zu erläutern, mit dem der vorstehend erwähnte Impulsgenerator arbeitet.

Der in Fig. 1 dargestellte Impulsgenerator 10, der bei der Erfindung verwendbar ist, hat eine Diodenkonfiguration * und besitzt eine Scheibe 11 eines Halbleitermaterials, das beispielsweise zwei Täler in seinem Leitband aufweist. Das Material der Scheibe 11 kann aus Galliumarsenid, Indiumphosphid, Indiumarsenid oder Kadmiumtellurid bestehen. Die Scheibe 11 hat beispielsweise η-Leitfähigkeit und besitzt eine hochwiderstandsfähige Schicht 12, die an eine der beiden Hauptflächen der Scheibe angrenzt. Es kann Diffusion oder Kristallwachsen verwendet werden, um einen Störstoff zu dotieren und die Leitfähigkeit der Scheibe 11 örtlich herabzusenken, um damit die hochwiderstandsfähige Schicht 12 mit p-Leitfähigkeit zu erzeugen.

Die Diode hat daher eine pn-Struktur; eine gleiche Charakteristik kann ebenfalls bei einer symmetrischen pnp-Struktur erhalten werden. Der Störstoff kann beispielsweise aus Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Kobalt oder Mangan bestehen.

Auf den Hauptoberflächen der Scheibe 11 sind in ohm^schem Kontakt Leitungeelektroden 13 und IU aufgebracht, die aus einer Zinnlegierung, einer eutektischen Mischung aus

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Gold und Germanium od.dgl. bestehen können. Die Anschlüsse zu diesen Elektroden 13 und IU werden durch Zuleitungsdrähte 15 bzw. 16 gebildet, die über eine Energiequelle 17 einer veränderlichen Gleichspannung in Serie an einem Lastwiderstand liegen.

Wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, eine an der Scheibe 11 liegende Spannung V erhöht wird, erhöht sich der hindurchfließende Strom i leicht. Wenn die Spannung V den Schwellenwert V₁ überschreitet, findet in der hochwiderstandsfähigen Schicht Lawinenvervielfachung der Träger statt, wodurch der Arbeitspunkt von A nach C über B und B¹ bewegt wird. Es kann angenommen werden, daß der Punkt C den Bedingungen entspricht, bei denen die hochwiderstandsfahige Schicht kurzgeschlossen ist. Der Arbeitspunkt bewegt sich dann, zum Punkt D und zurück zum Punkt

B'.Es ist zu bemerken, daß sich dieser Zyklus längs des Weges B¹ CD selbst wiederholt, wenn die Vorspannung V oberhalb V₂ liegt. Daher kann der Wert V₁ als schwingungsstartende Spannung und der Wert V₂ als schwingungsbeendende Spannung bezeichnet werden.

Wie sich aus dem Weg B' CD ergibt, kann diese Diode zwischen einem Hoch- und Niedrigstromzuetand aufgrund der Wirkung der Lawinenvervielfachung undL.d«*» Fangwirkung in tiefen Störst off Zentren schalten..

Fig. 3 ist eine Darstellung der an der Diode 10 er-10 9 14/2275

scheinenden Spannung Va über die Zeit t, wenn die"Größe der Vorspannung Vb während eines halben Zyklus sinusförmig geändert wird. Wie dargestellt, erhöht sich die Spannung Va mit ansteigender Vorspannung Vb. Zum Zeitpunkt t*, wenn Vb den Wert V₁ erreicht, beginnt .die Diode 10 zu schwingen, so daß sich die Spannung Va zyklisch zwischen V« und V₃ ändert, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Wie dies durch die gestrichelte Linie der Fig. 3 dargestellt wurde,hört die Diode 10 nicht auf zu schwingen, selbst wenn die Vorspannung Vb unter V₁ abgesenkt ist. Damit die Diode 10 aufhört zu schwingen, ist es nötig, die Vorspannung Vb unter V» abzusenken. Dabei ist zu bemerken, daß bei dieser impulserzeugenden Diode 10 eine Hysterese-Erscheinung beobachtet werden kann·

Die Diode kann folgendermaßen charakterisiert werden;

1) Die obere Grenze der Wiederholungsrate ist durch die Eigen- ψ schaft der Diode selbst bestimmt, und die untere Grenze wird durch Erhöhung der RC-Zeitkonstanten der externen Schaltung verringert .

2) Die Impulswiederholungsrate ist durch einen Vorspannungs-Gleichstrom in der Größenordnung von zehn geändert worden.

3) Eine große Ausgangespannung bis zu 5OVoIt (für eine 50 Ohm-Widerstandsbelastung) wird bei einer Impulsbreite von einigen Nanoeekunden erhalten.

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Fig. 4 zeigt schaubildlich eine Injektions- elektrolumineszente impulserzeugende Diode 30 des erfindungsgemäßen Elektro- optischen Netzwerkes. Die Diode 30 besitzt eine nleitfähige GaAs-Scheibe 31 mit einer an ihrer einen Hauptfläche gebildeten hochwiderstandsfähigen Schicht 32. In die Scheibe 31 wird ein Störstoff, wie Eisen, diffundiert, um die Leitfähigkeit örtlich herabzusenken, um damit die hochwiderstands· leitfähige Schicht 32 mit p-Leitfähigkeit zu bilden. Eine Kombination des n-Bereiches 33 und der hochwiderstandsfähigen Schicht 32 bildet den anhand der Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Halbleite». Impulsgenerator.

An der entgegengesetzten Hauptoberfläche der Scheibe 31 ist ein ρ -leitfähiger Bereich 34 gebildet, der einen Störstoff,, wie Zink, enthält, welcher eine p-Leitfähigkeit bestimmt. So besitzt die Scheibe 31 zwischen den n- und p-leitfähigen Bereichen 31 und 34 einen pn-Obergang 35, an dem Injektions-Elektrolumineszenz bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung stattfindet. Leitungselektroden 36 und 37 sind in ohm-'schem Kontakt mit beiden Hauptflächen der Scheibe 31 gebildet. Die Leitungselektroden 36 und 37 sind mit einer (nicht dargestellten) Vorspannungsquelle mittels Leitungsdrähten 38 bzw. 39 verbunden.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild des vorliegenden Elektrooptischen Netzwerkes. In dem Schaltbild ist die Injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode 30 als in einem gestrichelten Rechteck eingeechlossen dargestellt} sie besitzt eine Injek-

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tions- elektrolumxneszente Diode 40 und einen Impulsgenerator m. Der Impulsgenerator 41 ist über einen Widerstand 42 mit einem Eingangsanschluß 43 verbunden, während die Injektions- elektrolumineszente Diode 40 an eine Quelle 44 einer GIeich-Vorspannung Vb^ angeschlossen ist, die ihrerseits bei 45 an Masse liegt.

Eine photoleitende Zelle oder eine Photodiode 46 ist derart angeordnet, daß sie mit der Injektions- elektrolumineszenten Diode 40 strahlungsgekoppelt ist, und in Serie mit einem Halbleiter-Impulsgenerator 47 der Fig. 1 dargestellten Art geschaltet. An die photoleitende Zelle 46 und den Impulsgenerator 47 ist eine andere Quelle 48 einer Gleich-Vorspannung Vb₂ in Serie mit einer Lastimpedanz 49 angeschlossen. Die Serienkombination des Impulsgenerator« 47 und des photoleitenden Elements 46 kann einstückig miteinander gebildet sein, indem eine Schicht photoleitenden Materials auf die Hauptoberfläche der in Fig. 1 dargestellten Scheibe 11 gelegt wird, die der hochwiderstandsfähigen Schicht 12 entgegengesetzt ist.In diesem Fall sollte die Leiterelektrode 13 für die von dem pn-übergang 35 der Diode 30 ausgesandte Strahlung durchlässig sein.

Beim Betrieb des in Fig. 5 dargestellten Netzwerkes wird die Gleichspannungsquelle 44 derart eingestellt, daß V₂ ^ Vb. < V₁, während die Gleichspannungsquelle 48 derart einge stellt ist, daß Vb₂^V₁. Wenn ein einzelner Impuls mit einer

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ausreichend großen Amplitude, wie er in Fig. 6 Ca) dargestellt ist, an den Eingangsanschluß 43 angelegt wird, überschreitet eine an den Impulsgeneratorteil 41 der Diode 30 angelegte Spannung deren Schwellenwert V^ und bringt die Diode 30 zum Schwingen. Wenn die Vorspannung oberhalb V₂ liegt, fährt die Diode 30 fort zu schwingen, bis ein negativer Impuls an sie angelegt wird. Während des Zeitraums, in dem die Diode 30 schwingt, fließt Strom durch den pn-übergang 35 und bewirkt die Einführung von Überschuß-Minoritätsträgem in die Halbleiterscheibe 31. Nach Rekombination der Minoritätsträger mit Majoritätsträgern wird an dem Übergang 35 Licht ausgestrahlt.

Wegen der Strahlungskopplung zwischen der Injektionselektrolumineszenten Diode 40 und der photoleitenden Zelle 46 trifft das von dem Übergang 3b ausgestrahlte Licht auf die lichtempfindliche Oberfläche der photoleitenden Zelle 46 auf und bewirkt eine Verringerung deren Widerstands. Damit wird die an die impuls erzeugende Diode 47 angelegte Spannung erhöht¹; * Die Diode 47 beginnt dann zu schwingen, wenn die Spannung V₁ überschreitet. Das über die Lastimpedanz 49 erhaltene Ausgangssignal in Form eines koherenten Impulszuges ist in Fig. 6 (b) dargestellt.

Andererseits wird bei einer Vorspannung von Vb^X V„ nur ein einziger Ausgangsimpuls in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Impulses an den Eingangsanschluß 43 erhalten,

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wie dies in Fig. 6 (c) dargestellt ist. Dies ist der Fall, weil die impulserzeugende Diode 41 bei der Vorspannungsbedingung Vb₁ <^ V« nicht fortfahren kann zu schwingen.

Es ist zu bemerken, daß daher das erfindungsgemäße Elektro- optische Netzwerk einen Einzelimpuls oder einen koherenten Impulszug in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Impulses als Eingangssignal selektiv erzeugen kann.

Weiterhin ist zu bemerken, daß eine Anzahl von derartigen Elektro-optischen Netzwerken auf einem Einzel-Kristallsubstrat in Matrixform gebildet werden kann, um eine strahlungsgekoppelte logische Schaltung zu bilden.

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Claims (6)

1. Pat entans prüche

   f !./Elektro- optisches Netzwerk zum selektiven Erzeugen eines Einzelimpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Triggerimpulses, gekennzeichnet durch eine Injektions- elektrolumineszente impulserzeugende Diode (30), die mit einem photoleitenden Element (46) strahlungsgekoppelt ist, ferner durch eine impulserzeugende Diode (47), die mit dem photoleitenden Element in Serie geschaltet ist, weiterhin durch eine erste elektrische Schaltung zum Anlegen einer Vorspannung an die Injektions- elektrolumineszente impulserzeugende Diode, ferner durch eine an die erste elektrische Schaltung angeschlossene Eingangseinrichtung (43), durch eine zweite elektrische Schaltung, die eine Vorspannungsquelle (48) besitzt, die an die Serienkombination des photoleitenden Elements und der impulserzeugenden Diode angeschlossen ist, und schließlich durch eine an die zweite elektrische Schaltung angeschlossene Ausgangseinrichtung, wobei die erste und zweite elektrische Schaltung voneinander elektrisch isoliert sind, jedoch miteinander zur Übertragung von Energie von der ersten Schaltung der Injektiona- elektrolumineszenten impulserzeugenden

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   Diode zu der zweiten Schaltung des photoleitenden Elements optisch gekoppelt sind.
2. 2. Elektrol- optisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ilnjektions- elektrolumineszente irapulserzeugendenDiode (30) eine Halbleiterscheibe (31) mit einer Leitfähigkeitsart besitzt, einen hochwiderstandsfäh^ften Bereich (32), der nahe einer Hauptoberfläche der Scheibe gebildet ist,

   * einen Bereich (33) entgegengesetzter Leitfähigkeitsart, der'nahe der entgegengesetzten Hauptoberfläche der Scheibe gebildet ist, wobei ein pn-übergang zwischen den beiden Bereichen gebildet ist, ein paar Jjeitungselektroden (36';. 37), die jeweils in ohm-'schem Kontakt mit einer der Hauptoberflächen der Scheibe gehalten sind.
3. 3. Elektro- optisches Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das photoleitende Element (46) eine

   |) photoleitende Zelle oder eine Photodiode ist, die in Abhängigkeit von Strahlungsenergieerregung eine erhöhte Leitfähigkeit besitzt.
4. 4. Elektro- optisches Netzwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impulserzeugende Diode (47) und das photoleitende Element (46) einstückig miteinander gebildet sind.

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5. 5. Elektro- optisches Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einen Impulszug in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Triggerimpulses erzeugt wird, wenn die Injektions- elektrolumineszente impulserzeugende Diode (30) auf eine Spannung vorgespannt wird, die zwischen deren Schwingungsbeginnenden und Schwingungsbeendenden Spannung liegt, und wenn die zuletzt erwähnte impulserzeugende Diode (47) auf 'eine Spannung unterhalb der Schwingungsbeginnenden Spannung vorgespannt wird. |
6. 6. Elektro- optisches Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Ausgangsimpuls in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Triggerimpulses erzeugt wird, wenn die Injektions- elektrolumineszente impulserzeugende Diode (30) auf eine Spannung unterhalb der schwingungsbeendenden Spannung und die zuletzt genannte impulserzeugende Diode (15) auf eine Spannung unterhalb der Schwingungsbeginnenden Spannung vorgespannt wird, j

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