DE2046244C3 - Elektro-optisches Netzwerk zur selektiven Erzeugung eines Einzelimpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit von einem einzigen Triggerimpuls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektro-optisches Netzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind elektro-optische Schaltungen bekannt (USA.

Patentschrift 34 62 605, Druckschrift »Electronics« vom 27 Juli 1964, S. 62 bis 67), bei denen von einem ersten Schaltkreis mit Hilfe injektions-elektrolumineszenter Dioden über eine optische Kopplung elektrische Impulse in einen zweiten Schaltkreis übertragen werden. Bei allen diesen Schaltungen ist es jedoch nicht möglich, durch Anlegen eines einzigen Impulses einen kohärenten Impulszug bzw. einen Einzelimpuls zu

erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektro-optisches Netzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es gestattet, in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Impulses als Eingangssignal einen kohärenten Impulszug bzw. einen Einzelimpuls zu

erzeugen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteii des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei diesem Netzwerk kann durch eine Eingangssignalspannung, beispielsweise in Form eines Eingangsimpulses, zu der Spannung der Vorspannungsquelle eine Spannung addiert werden. Wenn diese Spannungssumme die Schwingungsbeginnende Spannung der injektions-elektrolumineszenten impulserzeugenden Diode übersteigt, beginnt diese eine Schwingung zu erzeugen. Sobald die Spannungssumme aus Vorspannungsquelle und Eingangssignal unter die schwingungsbeendende Spannung der injektions-elektrolumineszentcn impulserzeugenden Diode sinkt, wird das Schwingen beendet. Dieser Punkt kann je nach Wahl der Vorspannung durch Verringern der Eingangssignalspannung oder durch deren Polaritätswcchsel erreicht werden. Selbstverständlich kann dabei die Vorspannungsqueüe selbst eine zweite Signalquelle darstellen, so daß vorteilhaft eine weitere Steuerungsmöglichkeit gegeben ist. Duit.i entsprechende Schaltungsausiegung kann die Frequenz der entstehenden Impulse sowohl durch zusätzliche Kondensatoren als auch durch Änderung der Vorspannung unterhalb der sehr hohen Eigenfrequenz der injektions-elektrolumineszenten impulserzeugenden Diode verändert werden.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, daß weitere Einstellmöglichkeiten für die Spannung und die Frequenz der an der Ausgangscinrichtung abgegebenen Impulszüge bzw. Impulse gegeben sind.

Zweckmäßigerweise ist die injektions-elektrolunii neszente impulserzeugende Diode gemäß Anspruch j von einer Halbleiterscheibe gebildet, in der ein hochwiderstandsfähiger Bereich und ein Bereich entgegengesetzter leitfähigkeitsart ausgebildet ist. Nach Ausstattung mit Kontaktelektroden ergibt sich dadurch ein kleiner und kompakter Aufbau.

Ferner ist es zweckmäßig, daß das photoleitende Element und die impulserzeugende Diode der zweiten Schaltung als eine einzige Halbleiterscheibe ausgebildet sind, so daß auch hier ein einfacher, kleiner und kompakter Aufbau entsteht.

Die Ausbildung der Schaltungselemente in Halbleiterscheiben ermöglicht eine wesentlich dichtere Bauweise und auch den — optisch getrennten Zusammenbau mehrerer Einheiten.

Vorteilhafterweise wird das photoleitende Element so gewählt bzw. ausgebildet, daß seine Leitfähigkeit mit der zugeführten Strahlungsenergie zunimmt. Auf diese Weise können Einschalt- und Ausschaltzuständ*· besser definiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schemati-

scher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig.l zeigt eine schematische Schnittansicht einer in dem vorliegenden elektro-optischen Netzwerk verwendeten impulserzeugenden Diode;

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

Fig-4 ist ein schematisches Schaubild einer injektions-elektrnlumineszenten impulserzeugenden Diode, die in dem vorliegenden elektro-optischen Netzwerk verwendet wird;

F i g. 5 ist ein Schahbild des vorliegenden elektro-optischen Netzwerkes, und

Fig.6 ist ein Diagramm, das die Arbeitsweise des vorliegenden elektro-optischen Netzwerkes erläutert.

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

Der in Fig.l 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 Cadmiumtellurid bestehen. Die Scheibe U hat n-Leitfähigkeit und besitzt eine r >chwiderstandsfähige 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 symi letrischen pnp-Struktur erhalten werden. Der Störstoff kann beispielsweise aus Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Kobalt oder Mangan bestehen.

Auf den Hauptoberflächen der Scheibe H sind in ohmschem Kontakt Leitungselektroü^ 13 und 14 aufgebracht, die aus einer Zinnlegierung, einer eutekn sehen Mischung aus Gold und Germanium od. dgl. bestehen können. Die Anschlüsse zu diesen Elektroden 13 und 14 werden durch Zuleitungsdräh.c 15 bzw. 16 gebildet, die über eine Energiequelle 17 einer veränderlichen Gleichspannung in Serie an einem Lastwider stand 18 liegen.

Wenn, wie in F i g. 2 dargestellt, eine an der Scheibe 11 liegende Spannung Verhöht wird, erhöht sich der hindurchfließende Strom /leicht. Wenn die Spannung V den Schwellenwert Vi überschreitet, findet in der hochwiderstandsfähigen Schicht Lawincnvervielfaehung der Träger statt, wodurch der Arbeitspunkt von A nach C über B und B' bewegt wird. Es kann angenommen werden, daß der Punkt C den Bedingungen entspricht, bei denen die hochwiderstandsfähige Schicht kurzgeschlossen ist. Der Arbeitspunkt bewegt sich dann zum Punkt Dund zurück /um Punkt B'. Es ist zu bemerken, daß sich dieser Zyklus längs des Weges B' CD selbst wiederholt, wenn die Vorspannung V oberhalb Vi liegt. Daher kann der Wert Vi 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 Niedrigstromzustand auf Grund der Wirkung der Lawincnvervielfaehung und der Fangwirkung in tiefen Störstoffzentren schalten.

Fig. 3 ist eine Darstellung der an der Diode 10 erscheinenden Spannung Va über die Zeit r, wenn die Größe der Vorspannung Vb während eines halben Zyklus sinusförmig geändert wird. Wie dargestellt, ernöht sich die Spannung Va mit ansteigender Vorspannung Vb. Zum Zeitpunkt fi, wenn Vöden Wen Vi erreicht, beginnt die Diode 10 zu schwingen, so daß sich die Spannung Va zyklisch zwischen V2 und Vi ändert, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Wie dies durch die gestrichelte Linie der F i g. 3 dargestellt wurde, hört die Diode 10 nicht auf zu schwingen, selbst wenn die Vorspannung Vb unter Vi abgesenkt ist. Damit die Diode iO aufhört zu schwingen, is¹, es nötig, die Vorspannung Vb unter V2 abzusenken. Dabei ist zu bemerken, daß bei dieser impulserzeugenden Diode 10 eine Hysterese-Erscheinung beobachtei werden kann.

1. Die Diode kann folgendermaßen charakterisiert werden: Die obere Grenze der Wiederholungsrate ■si durch die Eigenschaft der Diode selbst bestimmt, und die untere Grenze wird durch Erhöhung der /?C-Zeitkonstanten der externen Schaltung verringert.

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

3. Eine große Ausgangsspannung bis zu 50 Volt (für eine 50-Ohm-Widei standsbelastung) wird bei einer Impulsbreite von einigen Nanosekunden erhalten.

F ig. 4 zeigt schaubildlich eine injektions elektrolu mineszenie impulserzeugende Diode 30 des erfindungsgemäßen elektro-optischen Netzwerkes. Die Diode 30 besitzt eine n-leitfähige GaAs-Scheibe 31 mit einer an ihrer einen Hauptfläclie gebildeten hochwiderstandsfähigen Schicht 32. In die Scheibe 31 wird ein Störstoff, wie Eisen, diffundiert, um die Leitfähigkeil örtlich herabzusenken, um damit die hochwiderstaruisleitfähige Schicht 32 mit p-Leitfähigkeit zu bilden. Eine Kombination des n-Berciches 33 und der hochwiderstandsfähigen Schicht 32 bildet den an Hand der Fig.l, 2 und 3 beschriebenen I lalbleiier-Impulsgenerator.

An der entgegengesetzten Hauptoberfläche der Scheibe 31 ist ein p-leitfähiger Bereich 34 gebildet, der einen Störstoff, wie Zink, enthält, welcher eine p-I.eitfähigkeit bestimmt. So besitzt die Scheibe 31 zwischen den n- und p-leitfähigen Bereichen 31 und 34 einen pn-LIbergang 3i, an dem lnjektions-Elektrolumineszenz bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung stattfindet. Leitungselcktroden 36 und 37 sind in ohmschem 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.

!■' ι g . ^r) zeigt ein Schaltbild des vorliegenden elektrooptischen Netzwerkes. Li dem Schaltbild ist die injekiions-elektroiummeszente impulserzeugende Diode 30 als in einem gestrichelten Rechteck eingeschlossen dargestellt; sie besitzt eine injektions-elektrolumincszente Diode 40 und einen Impulsgenerator 41. Der Impulsgenerator 41 ist über einen Widerstand 42 mit einem Eingangsanschluß 43 verbunden, während die injcktions-elektrolumineszente Diode 40 an eine Quelle 44 einer Glcich-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 F i g. 1 dargestellten Art geschaltet. An die photoleitende Zelle 46 und den Impulsgenerator 47 ist eine andere Quelle 48 einer Gleich-Vorspannung Vh in Serie mit einer Lastimpedanz 49 angeschlossen. Die Serienkombination des Impulsgenerators 47 und des photoleitenden Elements 46 kann einstückig miteinander gebildet sein, indem eine Schicht photoleitenden Materials auf die Hauptoberfläche der in F i g. 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 F i g. 5 dargestellten Netzwerkes wird die Gleichspannungsquelle 44 derart eingestellt, daß Vi < Vb\ < Vi, während die Gleichspannungsquelle 48 derart eingestellt ist, daß Vtn < Vi. Wenn ein einzelner Impuls mit einer ausreichend großen Amplitude, wie er in Fig.6 (a) dargestellt ist, an den Eingangsanschluß 43 angelegt wird, überschreitet eine an den Impulsgeneratorteil 41 der Diode 30 angelegte Spannung deren Schwellenwert Vi 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-Minoritätsträgern in die Halbleiterscheibe 31. Nach Rekombination der Minoritätsträger mit Majoritätsträgern wird an dem Übergang 35 Licht ausgestrahlt.

Wegen der Strahlungskopplung zwischen der injektions-elektrolumineszenten Diode 40 und der photoleitendcn Zelle 46 trifft das von dem Übergang 35 ausgestrahlte Licht auf die lichtempfindliche Oberfläche der photolcitenden Zelle 46 auf und bewirkt eine Verringerung deren Widerstands. Damit wird die an die impulserzeugende Diode 47 angelegte Spannung erhöht. Die Diode 47 beginnt dann zu schwingen, wenn die Spannung Vi überschreitet. Das über die Lastimpedanz 49 erhaltene Ausgangssignal in Form eines kohärenten Impulszuges ist in F ig. 6 (b) dargestellt.

Andererseits wird bei einer Vorspannung von Vb\ < V2 nur ein einziger Ausgangsimpuls in Abhängigkeit vom Anlegen eines einzigen Impulses an den Eingangsanschluß 43 erhalten, wie dies in F i g . 6 (c) dargestellt ist. Dies ist der Fall, weil die impulserzeugende Diode 41 bei der Vorspannungsbedingung Vb\ < V2 nicht fortfahren kann zu schwingen.

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

Weiterhin ist zu bemerken, daß eine Anzahl vor derartigen elektro-optischen Netzwerken auf einerr Einzel-Kristallsubstrat in Matrixform gebildet werder kann, um eine strahlungsgekoppelte logische Schaltung zu bilden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektro-optisches Netzwerk zum selektiven Erzeugen eines Einzeümpulses oder eines Impulszuges in Abhängigkeit von Eingangsimpulsen; umfassend eine erste Schaltung, die eine injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode und eine die letztere mit einer Vorspannung versorgende Vorspannungsquelle sowie eine Eingangseinrich- '° tung aufweist; ferner eine zweite Schaltung, die ein photoleitendes Element und eine Ausgangseinrichtung besitzt, wobei die injektions-elekirolumineszente impulserzeugende Diode mit dem phototeitenden Element optisch gekoppelt ist, dadurch is gekennzeichnet, daß die injektions-elektrolumineszente impulserzeugende Diode (30) eine Schwingungsbeendende Spannung besitzt, die niedriger als ihre Schwingungsbeginnende Spannung ist, wobei die Vorspannungsquelle (44) eine bis zur Schwingungsbeginnenden Spannung veränderbare Vorspannung hat.

2. E'ektro-optisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung außerdem eine Vorspannungsquelle (48) und eine impulserzeugende Diode (47) umfaßt, wobei letztere eine schwingungsbeendende Spannung besitzt, die niedriger als ihre Schwingungsbeginnende Spannung ist, und wobei ferner die Vorspannungsquelle eine bis zur Schwingungsbeginnenden Spannung ver- w änderbare Vorspannung hat.

3. Elektro-optisches Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die injektionselektrolumineszente impulserzeugende Diode (30) eine Halbleiterscheibe (31) mit einer Leitfähigkeitsart besitzt sowie einen hochwiderstaüdsfähigen Bereich (32), der nahe einer Hauptoberfläche der Scheibe ausgebildet ist; einen Bereich (33) entgegengesetzter Leitfähigke'tsart, der nahe der entgegengesetzten Hauptoberfläche der Scheibe ausgebildet ist, wobei ein p-n-Übergang zwischen den beiden Bereichen gebildet ist; ein Paar Leitungselektroden (36, 37), die jeweils in ohmschem Kontakt mit einer der Hauptoberflächen der Scheibe gehalten sind.

4. Elektro-optisches Netzwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impulserzeugende Diode (47) eine Halbleiterscheibe (11) mit einer Leitfähigkeitsart besitzt sowie eine hochwiderstandsfähige Schicht (12), die an eine nor beiden Hauptflächen der Scheibe angrenzt, und ein Paar Leitungselektroden (15,16), von denen sich je eine in ohmschem Kontakt mit einer der entgegengesetzten Hauptoberflächen der Scheibe befindet, wobei die Halbleiterscheibe aus der Galliumarsenid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Cadmiumtellurid umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Elektro-optisches Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das photoleitende Element (46) eine photoleitende Zelle oder eine Photodiode ist, die in Abhängigkeit von Strahlungsenergieerregung eine erhöhte Leitfähig keit besitzt.