DE2047155A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ab lenken eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

20Λ7155

Patentanwälte

sen.

24.9.1970

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls.

Allgemein sind verschiedene Verfahren zur Ablenkung eines Lichtstrahls bekannt, z.B. solche, bei denen die Ablenkung durch einen Spiegel, Bragg-Diffraktion von Wasser mit sich im Wasser fortpflanzenden Ultrasohallwellen oder die Raman-Streuung von Quarz usw. mit sich im Material fortpflanzenden Ultraschallwellen ausgenutzt wird·

Nach diesen bekannten Verfahren ergeben sich indessen wesentliche Begrenzungen oder Beschränkungen. Und zwar kann nach den eine mechanische Funktion eines Spiegels usw. ausnutzenden Verfahren ein Lichtstrahl nicht mit hoher Frequenz abgelenkt werden, und bei den die Fortpflanzung von Ultraschallwellen in Wasser anwendenden Verfahren kann der Wandler nicht kompakt gemacht werden.

Es ist bekannt, daß der Brechungsindex η eines Halbleiters für einen Lichtstrahl einer Winkelfrequenz 'x) der

8l-(Pos. 22.825)-TpE (7)

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Beziehung

η² - £ (ω) (1)

gehorcht, worin (L die Dielektrizitätskontante des Halbleiters 1st. Weiter IKBt sich die Dielektrizitätskonstante £. als

4JlT N e² 4 OT η e² € (ω) ft* 1 ₅ g + —g g— (2)

ausdrucken, worin

N: Trägerkonzentration in Halbleiter,

5: Oitterpunktkonzentration des Halbleiters,

m : effektive Nasse eines Trägers im Halbleiter, /u: Reduzierte Nasse eines Qitterpunkts, und

CJ. ι Winkelfrequenz des Oitters bedeuten.

In der Gleichung (2) drücken das zweite Glied auf der rechten Seite die Wirkung τοη freien Trägern und das dritte Olied die Wirkung des Kristallgitters aus.

Nimmt man Cadmiumsulfid CdS als Beispiel, so ist die effektive Nasse m eines Leitungselektrons 0,2 m (wobei m_Q die Restaasse eines Elektrons ist). So ist bei normaler Trägerkonzentration in Cadmiumsulfid die Wirkung des zweiten Olieds geringer als die des dritten Glieds. Da jedooh für einen einfallenden Strahl sichtbaren Lichts die Winkelfrequenz ω _t des Oitters Im infraroten Bereich liegt, gilt eine Ungleichungsbeziehung

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Dementsprechend kann für einen Lichtstrahl der Winkelfrequenz CC (CC - LC ) als konstant betrachtet werden. So läßt sich bei sichtbarer Lichteinstrahlung, auch wenn die Zahlkonzentration ή von freien Trägern in gewissem Ausmaß variiert werden kann, die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Dielektrizitätskonstante 6. (tu) nicht merklich ändern.

Wenn jedoch Träger im Übermaß in den pn-übergang bis

l8 22 ^5 zu einer Trägerkonzentration von 10 bis 10 /car injiziert werden, wird das zweite Glied in der Gleichung (2) groß, so daß es den Brechungsindex merklich verändert, da sich eine Variation im Brechungsindex Δ η aufgrund einer JKnde-

•»20 rung der Trägerkonzentration Δ N als Δη «10 Δ Ν ausdrücken läßt. Außerdem wirkt sich ein Anwachsen der Zahl von freien Trägern aufgrund der Einstrahlung von sichtbarem Licht positiv aus. So läßt sich der Brechungsindex eines Halbleiters variieren oder modulieren.

Für einen vorstehend beschriebenen Halbleiter kommen CdP₂, ZnS, ZnTe usw. sowie CdS in Frage* die sämtlich eine größere verbotene Bandbreite als die Photonenergie des eingestrahlten sichtbaren Lichts aufweisen. Solche Werkstoffe sind Verbindungen eines Ilb-Gruppenelements (Atomnummer 65 bis 113) und eines VIb-Gruppenelements (Atomnummer 32 bis 128), CdF₂ und SiC. Die Breite des verbotenen Bandes und der Leitungstyp dieser Halbleiter sind in der Tabelle zusammengestellt.

1 0 9 : / 1

Tabelle

Material	Verbotene Bandbreite (eV)	Entsprechende Wellenlänge (/U)	Leitungstyp
CdS	2,4	0,52	η
CdP2	6,0	0,21	η
ZnS	5,7	0,54	P
ZnTe	2,1	0,59	P
SiC	2,86	0,44	η, ρ

Zum Bilden eines pn-Überganges in einem solchen Halbleiterkörper werden transparente Elektroden an den n- und p-Zonen vorgesehen, um den Halbleiter zur Injektion von

1 ft 9P "⁹I

Trägern mit einer Konzentration von 10 bis 10 /oar vorwärts vorzuspannen. Dann läßt sich der Brechungsindex des Halbleiterkörpers für einen sichtbaren Lichtstrahl auf Basis der injizierten Trägerkonzentration modulieren. Dementsprechend wird der Weg eines durch den Halbleiterkörper tretenden Lichtstrahls entsprechend der Menge der injizierten Träger abgelenkt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Ablenken eines Lichtstrahls mit dem Kennzeichen, daß ein

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Halbleiterelement verwendet wird, das einen Halbleiterkörper mit einer größeren verbotenen Bandbreite als der Photonenergie des abzulenkenden Lichts, einen im Halbleiterkörper durch Dotieren einer Verunreinigung eines von dem des Halbleiters verschiedenen Leitungstyps von einer HauptOberfläche des Halbleiterkörpers gebildeten pn-übergang und mindestens ein Paar von an den durch den pn-übergang verbundenen p« und n« Bereiehen ausgebildeten transparenten Elektroden umfaßt, und daß man gleichzeitig einerseits einen abzulenkenden Lichtstrahl durch den Halbleiterkörper und die transparenten Elektroden hindurchtreten lädt und andererseits den pn-übergang Im Halbleiterkörper über die transparenten Elektroden mit einem elektrischen Strom vorwärts vorspannt, dessen Stärke zur Injektion von Trägern mit einer Konzen-

1 ft Qr* "³^

tration von 10 bis 10 /onr ausreioht.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet 1st: Einen Halbleiterkörper mit einer größeren verbotenen Bandbreite als der Photonenergie von eingestrahltem Licht bestimmter Frequenz und mindestens einer Hauptoberfläche; wenigstens einen im Halbleiterkörper durch Dotieren einer Verunreinigung eines von dem des Halbleiters verschiedenen Leitungstyps von einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers gebildeten pn-übergang; mindestens zwei an den durch den pn-übergang verbundenen p- und n-Bereiohen ausgebildete transparente Elektroden; und Mittel zum Zuführen von elektrischer Energie zweoke Vorwärtsvorspannung des pn-Überganges über die transparenten Elektroden zur Injektion von Trägern am pn-übergang

1 ft OO "A

mit einer Konzentration von 10 bis 10 /onr»

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird

1 0 3 ;π η / 1 5 ι R

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zur Steigerung der Oröfle der Liehtablenkung die Konzentration der injizierten Träger oder ihr Gradient gesteigert und umgekehrt.

Wie sioh aus dem Vorstehenden ergibt, wird erfindungsgemäß ein auf einen Halbleiterkörper mit einem pn-übergang einfallender Lichtstrahl entsprechend der Konzentration von injizierten Trägern abgelenkt oder moduliert, wodurch sich folgende Vorteile ergeben:

(1) Die Größe der Modulation des Brechungsindex und daher die der Ablenkung des Lichtstrahls von Interesse läßt sioh willkürlich einstellen; und

(2) durch Einstellen der injizierten Trägerkonzentration an mehreren pn-übergängen In einem solchen Halbleiterkörper läßt sich die Modulation des Brechungsindex für einen einfallenden Lichtstrahl und damit die Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls entsprechend steuern» so daß man leicht eine optisohe Vorrichtung mit gewünschtem Verhalten herstellen kann, bei der in geeigneter Weise die Gestalt eines

fc Halbleiterkörpers und/oder die Anordnung von pn-übergängen im Halbleiterkörper gewählt sind.

Die Brfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten AusfUhrungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen sohematisohen Längsschnitt eines bekannten Ultrasohallwellen-Lichtetrahlablenkers;

Pig. 2a eine sohematisohe Perspektivansicht einer optlaohen Vorrichtung zur Durchführung

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des Verfahrens zum Ablenken eines Lichtstrahls gemäß der Erfindung;

Fig. 2b die Beziehung der Elektrodenstellungen und der angelegten Spannungen bzw. des Stroms für die optische Vorrichtung nach Fig. 2a;

Fig. 2c die Verteilung der Trägerkonzentration in der Vorrichtung nach Fig. 2a bei gemäß Fig. 2b angelegten Spannungen;

Fig. 2d die Art der Ablenkung eines Lichtstrahls mit der optischen Vorrichtung nach Fig. -2a;

Fig. 3 Stromstärkekurven eines pn-Überganges in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei der optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 die Abhängigkeit von Elektrodensteilimgen und angelegten Spannungen für eine optische Vorrichtung mit einer Linsenfunktion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7a eine schematische Perspektivansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 7b eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7a.

In Fig. 1 bedeutet die Bezugsziffer 1 eine Lichtquelle,

die Bezugsziffer 2 das Ultrasohallwellenmedium (Wasser).

Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lichtstrahlablenkvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der mehrere pn~ übergänge in einem Halbleiterkörper J mit beispielsweise n-Leitungstyp durch Dotieren einer Akzeptorverunreinigung wie stickstofflon zur Bildung von p-Berelohen 4., 4g# 4~, 4u, 4(- und 4g gebildet sind· PUr jeden pn-übergang ist ein Paar von transparenten Elektroden an den p- und n-Bereichen

" angebracht, wie duroh die Bezugsziffern 5j, 5₂, 5-, 5^, 5,- und 5g angedeutet ist· Bs gibt verschiedene Verfahren zur Bildung eines pn-Überganges, doch vorzugsweise wendet man das Ionenimplantationsverfahren an, um einen genauen pnübergang zu erzeugen. Zum Beispiel werden Stickstoffionen in einen Cadmiumsulfidkurper durch eine darauf angeordnete Maske implantiert, wobei eine Beschleunigungsspannung oberhalb 10 KV, insbesondere oberhalb 50 KV verwendet wird· Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zueinander parallele p-Zonen mit einer Breite von 0,5 um und Zwischenräumen von 0,5 mm in einem CdS-Körper mit einem spezifischen Widerstand von 5 0hm · cm und Abmessungen von 5*5 mm χ 5,5 mm χ

fc 0,2 mm hergestellt* An den jeweiligen Elektroden werden Zuleitungsdrähte zur Verbindung mit Stromquellen angebracht·

Vorspannungen von 10V, 28v, 46v, 64v, 80V und lOOV werden über die transparenten Elektroden 5_1# 5₂, 5^, 5^, 5,- und 5g den jeweiligen pn-Übergängen zur Injektion von Trägern zugeführt. Fig· 2b zeigt die Wellenform der Vorspannungen (oder entsprechender Ströme). Fig· 3 zeigt die sich ergebende Trägerkonzentrationsverteilung· Für einen pn-übergang ist die Spannungs-Strom-Charakteristik entsprechend Fig· 3, wobei die Kurve a das Verhalten im dunklen Raum, die Kurve b das Verhalten unter gewöhnlicher Beleuoh-

1 0 9 $ ι fi /

tung mid die Kurve ο das Verhalten unter Laser-Lichtbeleuchtung wiedergeben· Wenn man an einen pn-Übergang unter Beleuchtung eine Vorspannung über 2V anlegt, wird ein Stroefluß oberhalb 20 mA durch den pn-übergang ermöglicht« und die Zahl der Träger beginnt sohneil zu wachsen· Diese Brscheinung wird durch die Trägerkonzentrationsverteilung in Fig. 2c erläutert· Und zwar ergibt sioh mit einer räumlichen Variation der Vorspannung ein Brechungsindexgradient im Halbleiterkörper· So wirkt der Halbleiterkörper als eine Art von Prisma» das die Lichtstrahlen entsprechend Fig· 2d ablenkt· Im vorstehenden Ausführungsbeispiel ändert sich, wenn die Vorspannungen für die Elektroden 5₁ und 5<c alt 10V, für die Elektroden 5₂ und 5₅ mit 46V und für die Elektroden 5, und 5j, mit lOOV gewählt werden, der Brechungsindex von den Kanten zur Mitte des Halbleiterkörpers, und die eich er» \ ^gebende räumliche Variation des optischen Weges läflt den Ίζ Halbleiterkörper als zylindrische Konvexlinse funktlonie- \ ren. Zum Beispiel haben parallele Lichtstrahlen einer Wellenlänge von 5000 Ä eine Brennpunktlinie 10 om hinter der Ausgangspupille dieses Brechungsindex-modulierten Slenents« Fig. 4 zeigt eine ähnliche Spannungsverteilung, die zu einer Linsenwirkung führt, für 7 pn-Übergänge und 7 Elektrodenpaare.

Weiter verursacht eine abgestufte Trägerkonzentrationsverteilung entsprechend Fig· 2o eine Quantumschwankung in durchgestrahlten Lichtstrahlen· Daher macht man den Abstand benachbarter Elektroden (oder pn-Übergänge) vorzugsweise . so klein wie möglich.

Fig. 5 zeigt eine Matrix-Konfiguration von pn-Übergängen. Bei Matrix-Anordnung von pn-Übergängen und entspre-

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- ίο -

ohenden Elektroden 5_ιχ* 5₁₂» \y ··· 5₂₁» 5₂₂» ···» ^ 5»₂, ··· ^wird duroh das Anlegen eines zweidimensionalen Spannungsprofils das Muster von eingestrahlten Lichtstrahlen fokussiert, dlsperglert oder geändert.

Wenn ein CdS-Körper y so geformt wird, dafl seine zwei Hauptoberfläohen zueinander geneigt sind, wie Pig· 6 zeigt, kann er etwa wie ein variables Prisma wirken. Im n-CdS-Körper wird ein pn-übergang duroh Dotieren einer Akzeptorverunreinigung zur Bildung eines p-Bereiohes 4 erzeugt, und man bringt transparente Elektroden 5 zwecks Vorwärtsvorspannung des pn-Uberganges an den beiden Hauptoberflächen an. Der Ablenkwinkel θ des durchgehenden Lichtstrahls 1 läßt sich durch Kontrolle der Injizierten Trägerdichte und damit des Brechungsindex steuern. Bei einer Änderung der Vorspannung um etwa 4V läßt sich die Richtung eines Lichtstrahls 1 etwa um 5° ändern.

In Pig. 7a ist Stiokstoffion in einen CdS-Körper J5 in Matrix-Form zur Bildung von Punkt-pn-Übergängen ^₁₁, 4₁₂, ·.·, implantiert, und Je ein Paar von transparenten Elektroden ist am Halbleiterkörper für die einzelnen pn-übergänge vorgesehen. Die einzelnen pn-übergänge der vorstehend genannten Matrix lassen sioh unabhängig vorspannen, um den Brechungsindex im Halbleiterkörper selektiv zu modulieren. So kann man mit der vorstehenden Vorrichtung eine gewünschte Figur zeiohnen.

Weiter kann man anstelle des Aufbaues naoh Fig· 7a streifenförmige pn-Ubergänge ^₁, 4_g, ... 4„ in einen Halbleiterkörper ausbilden und zwei Gruppen von untereinander parallelen, strelfenförmigen transparenten Elektroden

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- li -

bzw. 5J₁, 5₁₂, ... 5₁₇ an den Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers In gegenseitig gekreuzter Stellung anbringen.

Weiter läßt sich die Erfindung auch in folgender Weise anwenden. Ein pn-übergang wird in einem Halbleiterkörper mit zwei parallelen Hauptoberflächen erzeugt, und transparente Elektroden werden an beiden Hauptoberflächen angebracht. Es ist offenbar, daß der optische Weg im Halbleiterkörper oder die Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls durch Modulieren des Brechungsindex des Halbleiters variiert werden kann. Wenn der optische Weg zwischen den beiden Hauptoberflächen ein ganzes oder ein halbes ganzes Vielfaches der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls wird, ergibt sich eine Interferenz.

Daher ändert sich die Farbe des durchgestrahlten Lichtstrahls. Wenn der einfallende Lichtstrahl monochromatisch ist, kann ein solches Element den Lichtstrahl bei einer geeigneten Vorspannung sperren. So läßt sich erfindungsgemäß auch ein optischer'Verschluß schaffen.

Claims (7)

Pat entansprüohe

1. Verfahren zum Ablenken eines Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet , daß ein Halbleiterelement verwendet wird, das einen Halbleiterkörper mit einer größeren verbotenen Bandbreite als der Photonenergie des abzulenkenden Lichts, einen im Halbleiterkörper duroh Dotieren einer Verunreinigung eines von dem des Halbleiters verschiedenen Leitungetyps von einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers gebildeten pn-übergang und mindestens ein Paar von an den duroh den pn-übergang verbundenen p- und n-Bereichen ausgebildeten transparenten Elektroden umfaßt, und daß man gleichzeitig einerseits einen abzulenkenden Lichtstrahl durch den Halbleiterkörper und die transparenten Elektroden hlndurohtreten läßt und andererseits den pn-übergang im Halbleiterkörper über die transparenten Elektroden mit einem elektrischen Strom vorwärts vorspannt, dessen Stärke zur Injektion von Trägern mit einer Konzentration von 10 bis IO /onr ausreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus CdS, CdP₂, ZnS, ZnTe oder SiC besteht·

3. Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls, gekennzeichnet duroh einen Halbleiterkörper (3) mit einer größeren verbotenen Bandbreite als der Photonenergie von eingestrahltem Licht bestimmter Frequenz und mindestens einer Hauptoberfläche; wenigstens einen pn-übergang (z.B. 3/¹I₁)* der im Halbleiterkörper duroh Dotieren einer Verunreinigung eines von dem des Halbleiters verschiedenen Leitungstype von der Hauptoberfläohe erzeugt lit; wenigstens zwei

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transparente Elektroden (z.B. 5·ι)» die an den an den pnübergang angrenzenden p- und n-Bereichen angebracht sind; und Mittel zum Zuführen elektrischer Energie zwecks Vorwärtsvorspannung des pn-Übergangs über die transparenten Elektroden zur Injektion von Trägern am pn-Übergang mit einer Konzentration von 1O¹⁸ bis 10²²/om⁵*

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (3) ein Paar von zueinander parallelen Hauptoberflächen aufweist, daß der pn-Übergang (z.B. 3A₁) in einer Mehrzahl von periodischem Aufbau mit gleichmäßigen Zwischenräumen ausgebildet ist, wobei jeweils zwei transparen« te Elektroden (z.B. 5±) je pn-übergang angebracht sind, und daß Mittel zum Zuführen elektrischer Energie zwecks unabhängiger Vorspannung jedes pn-übergangs vorgesehen sind·

5. Vorrichtung naoh Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, daß die pn-übergänge in Matrixform mit periodischem zweidimensionalen Muster erzeugt sind (Fig. 5)·

6. Vorrichtung naoh Anspruch 5, daduroh gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge (z.B. 3/4-) in eine Mehrzahl von Reihen und eine Mehrzahl von Säulen aufgeteilt und die transparenten Elektroden (5_1# ... 5γ bzw· 5-_1# ... 5^) für die zugehörigen Reihen auf der einen Hauptoberfläche und für die zugehörigen Säulen auf der anderen Hauptoberfläche angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (3) zwei zueinander geneigte Hauptoberflächen aufweist (PIg. 6).

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