DE2264000C3 - Abstimmbarer Photowandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Photowandler mit einer Heterosperrschicht-Photodiode aus zwei Schichten von Halbleiterstoffen des gleichen Leitungstyps (p oder n), von denen der den kleineren Energiebandabstand aufweisende eine Basisschicht bildet und der den größeren Energiebandabstand aufweisende auf der Basisschicht als Fenster aufgebracht ist, wobei die Heterosperrschicht-Photodiode beim Einfall von Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des kürzerwelligen Teilbereiches des nachweisbaren Weilenlängenbereiches eine Spannung einer bestimmten Polarität sowie beim Einfall von Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des längerwelligen Teilbereiches des nachweisbaren Wellenlängenbereiches eine Spannung der entgegengesetzten Polarität erzeugt, und wobei die Höhe dieser Spannungen der relativen Stärke des einfallenden Lichtes entspricht, mit einer auf dem Fenster angebrachten Metallelektrode und einer einstellbaren Vorspannungsquelle zwischen der Metallelektrode und der Basisschicht zur Vorspannung des Heterosperrschicht-Übergangs in Durchlaßrichtung sowie einer parallel zu der Vorspannungsquelle gelegten Gleichrichterschaltung.

Mehrkanalige optische Nachrichtensysteme erfordern mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Photowandler, die einfallende Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen empfangen, Mehrfach-Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen unterscheiden können und für integrierte optisch-elektronische Anordnungen geeeignet sind. Die zur Zeit benutzten Photowandler bestehen zum größten Teil aus Photodioden, die mit optischen Frequenzfiltern abgedeckt sind. Die bekannten Photowandler sind jedoch nur mit Schwierigkeiten zur Herstellung von integrierten optisch-elektronischen Geräten geeignet und lassen sich schwer mit hoher Geschwindigkeit auf empfangbare Wellenlängen abstimmen.

Ein Photowandler der eingangs genannten Art ist durch Solid-State Electronics, 1970, Vol. 13, S. 1073-1075 bekanntgeworden. Er besitzt eine Photodiode mit Schichten von zwei verschiedener» Halbleiterstoffen gleichen Leitfähigkeitstyps, bei der auf einer Oberfläche der einen Schicht des Halbleiterstoffes (Ge) geringer Bandabstandsenergie die Schicht des anderen Halbleiterstoffes (CdSe) als Fenster angeordnet ist und die in verschiedenen Wellenlängenbereichen des einfallenden Lichtes Photospannungen unterschiedlichen Vorzeichens liefert. Jedoch ist es mit der bekannten Photodiode nicht möglich, alle einfallenden Lichtsignale sowohl eines unteren Wellenlängenbereiches unterhalb einer bestimmten Weilenlänge, als auch eines oberen Wellenlängenbereiches oberhalb jener bestimmten Wellenlänge gleichzeitig zu messen.

Ferner ist aus der US-PS 34 35 236 ein abstimmbarer Photowandler bekanntgeworden, der eine Photodiode und eine regelbare Vorspannungsquelle enthält. Durch Änderung der Vorspannung können Lichtsignale verschiedener Wellenlängen gemessen werden. Zur Bestimmung des gesamten Lichtstroms in einem bestimmten Wellenlängenbereich müssen jedoch die in jenem Weilenlängenbereich abtgetasteten Lichtsignale einzeln aufaddiert werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen abstimmbaren Photowandler zu schaffen, der in einem Lichtsignal enthaltene Anteile verschiedener Wellenlängen unterscheiden kann und zur Herstellung integrierter optisch-elektronischer Anordnungen geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Photowandler eine in Abstand zur Metallelektrode angeordnete zusätzliche Metallelektrode auf dem Fenster aufweist, wobei der Bereich des Fensters zwischen den Metallelektroden das einfallende Licht empfängt, daß eine weitere Vorspannungsquelle zwischen die zusätzliche Metallelektrode und die Basisschicht geschaltet ist, die eine Vorspannung liefert, die der Vorspannung der ersten Vorspannungsquelle entspricht, und daß eine zusätzliche Gleichrichterschaltung so parallel zur zusätzlichen Vorspannungsquelle liegt, daß ihre Durchlaßrichtung der Durchlaßrichtung der ersten Gleichrichterschaltung entgegengesetzt ist, wodurch die Ausgangsspannungen der Gleichrichter-

bzw. der zusätzlichen Gleichrichterschaltung die relative Stärke des einfallenden Lichtes im kürzerwelligen bzw. im längerwelligen Teilbereich des nachweisbaren Wellsnlängenbereiches angeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannungsquelle und als zusätzliche Vorspannungsquelle Sägezahngeneratoren vorgesehen sind.

Der Photowandler kann elektrisch auf die empfangbaren Wellenlängen von einfallenden Lichtsignalen abgestimmt -yerden.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß mit Hilfe des Photowandlers Duplex-Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen unterschieden werden können.

Anhand der Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist die

F i g. 1 eine Blockzeichnung eines abstimmbaren Phutowandlers,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des typischen Verlaufs der spektralen Empfindlichkeiten des in der F i g. 1 dargestellten Photowandlers mit Heterosperrschicht,

Fig.3 eine Blockzeichnung einer Ausführungsform eines abstimmbaren Photowandlers zur Unterscheidung von Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlänge,

Fig.4 ein Schaltbild des durch die Blockzeichnung der F i g. 3 dargestellten abstimmbaren Photowandlers und

F i g. 5 eine graphische Darstellung, die die Betriebskennwerte des in der F i g. 4 dargestellten abstimmbaren Photowandlers wiedergibt.

Nach der Fi g. 1 der Zeichnung enthält ein abstimmbarer Photowandler 10 eine mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Photodiode mit Heterosperrschicht vom 3¹» Isotyp, eine Gleichrichterschaltung 2, die einen Ausgangsanschluß 3 und einen Masseanschluß 4 enthält und mit einem Photospannungsausgangsanschluß 6 der Photodiode mit Heterosperrschicht vom Isotyp verbunden ist, und eine steuerbare Vorspannungsquelle 5, die mit der Photodiode 1 mit Heterosperrschicht vom Isotyp parallel geschaltet ist.

Die Photodiode 1 mit Heterosperrschicht vom Isotyp weist n-n-Isotyp-Heterosperrschichten oder p-p-Isotyp-Heterosperrschichten auf. Diese Arten von Isotyp-HeteroSperrschichten haben eine doppelt verarmte Sperrschicht ähnlich zwei Metallhalbleiterdioden, die in Reihe gegeneinander geschaltet sind. Die Lichtempfindlichkeit dieses Sperrschichttyps führt zu einor Photospannung, deren Vorzeichen sowohl von den Wellenlängen von einfallenden Lichtsignalen, als auch von der Durchlaßvorspannung über der Sperrschicht abhängt.

Die F i g. 2 zeigt typische Änderungen der Photospannungen der Photodiode mit Hetero-Sperrschicht vom Isotyp für verschiedene Wellenlängen von einfallendem Licht für die genannten verschiedenen Gleichvorspannungen Vi, V₂ und V) über der Sperrschicht. In der F i g. 2 werden die Photospannungen weitgehend durch Wellenlängen innerhalb des Bereichs Ka und Ae erzeugt, entsprechend der Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband jedes Halbleiters, aus dem die Heterosperrschicht vom Isotyp besteht. Die Photospannung ist positiv bei keiner Vorspannung, V-O, und die Photospannungen werden negativ bei den Wellenlängen über λο2 bei der Vorspannung V₂. Bei der b5 Vorspannung Vj werden die Photospannungen vollständig negativ. Weil das Vorzeichen der Photospannung sich mit der Vorspannung ändert und außerdem die Bandbreiten, entsprechend der Erzeugung von positiven Photospannungen oder der Erzeugung von negativen Photospannungen, sich mit der Vorspannung ändern, kann die Photodiode durch Änderung der Vorspannungen elektrisch abgestimmt werden, um empfangbare Bandbreiten von einfallendem Licht zu empfangen, und die Heterosperrschichtphotospannungen können durch eine Gleichrichterschaltung 2, wie in der F i g. 1 gezeigt ist, gleichgerichtet werden.

Die F i g. 3 zeigt die Blockzeichnung eines abstimmbar^ Photowandlers, der unter Duplex-Lichtsignalen verschiedener Wellenlängen zu unterscheiden vermag.

In der F i g. 3 enthält ein abstimmbarer Photowandler 30 die gepaarten Photodioden 11 und 12 mit Heterosperrschicht vom Isotyp, ein Gleichrichterschaltungspaar 13 und 14 mit den Ausgangsanschlüssen 15 und 16 und dem gemeinsamen Masseanschluß 17 und veränderbare Gleich-Vorspannungsquellen 18 und 19, die parallel zum Photodiodenpaar mit Heterosperrschicht vom Isotyp sowie mit den Photospannungsausgangsanschlüssen 20 und 21 liegen. Das Photodiodenpaar 11 und 12 vom Isotyp hat jeweils die gleichen elektrooptischen Eigenschaften, und die Eigenschaften entsprechen denen, die in Verbindung mit der F i g. 2 beschrieben sind. Die Gleichrichterschaltungen 13 und 14 haben jeweils entgegengesetzte Gleichrichtereigenschaften, d. h., die Gleichrichterschaltung 13 hat eine geringe Impedanz für positive Signale und die Gleichrichterschaltung 14 hat eine geringe Impedanz für negative Signale. Nach der F i g. 2 werden positive Photospannungen zwischen den Wellenlängen Ka und λοι und negative Photospannungen zwischen den Wellenlängen λοι und As beobachtet, wenn die Vorspannung bei den Photodioden mit Heterosperrschicht vom Isotyp Vi, ist. Wenn daher das Paar Photodioden 11 und 12 mit Heterosperrschicht vom Isotyp in gleicher Weise mit einer Spannung Vi vorgespannt wird, zeigen die am Anschluß 15 erscheinenden elektrischen Vorzeichen, daß die Lichtsignale Wellenlängen zwischen λ_Α und λοι, entsprechend positiven Photospannungen, haben, und die elektrischen Signale am Anschluß 16 zeigen, daß die Lichtsignale Wellenlängen zwischen λοι und Kb, entsprechend negativen Photospannungen, haben. Demnach können zwei Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen λ» und Ky (λ₃<λ_χ<λο\, λοι <λ^<λβ), die auf das Photodiodenpaar mit Heterosperrschicht vom Isotyp fallen, in getrennte elektrische Signale umgewandelt werden.

Gepaarte ZnSe-Si-n-n-Isotyp-Heterosperrschicht-Photodioden werden für die Isotyp-Heterosperrschicht-Photodioden 11 und 12 in einer Schaltung, wie sie die F i g. 3 darstellt, benutzt. ZnSe ist als Fenster und Si als Grundmaterial benutzt. Die F i g. 4 zeigt den Aufbau der Schaltung, entsprechend der in Fig.3 dargestellten Blockzeichnung. Die ZnSe-Si-Isotyp-Heterosperrschicht-Photodioden weisen auf dem Fenstermaterial paarweise angeordnete Metallelektroden lla, 12a auf und sprechen auf Licht mit Wellenlängen zwischen 0,45 und 1,2 μιη an, und die Schaltung kann auf empfangbare Bandbreiten in dem Bereich von 0,45 bis 1,2 μπι durch Einstellung der Durchlaßvorspannung auf eine Spannung in dem Bereich von 0 bis 0,6 Volt, die an die ZnSe-Seite, die positive Seite der Diode, angelegt wird, abgestimmt werden. Die elektrische Spannung am Anschluß 15 entspricht Licht innerhalb der Bandbreite von 0,45 bis λο μίτι, und die am Anschluß 16 dem Licht innerhalb der Bandbreite von A₀ bis 1,2 μηι. Die Fig. 5 gibt λο-Werte für verschiedene Vorspannungen wieder.

Zweifach-Liehtsignale, enthaltend Licht der unterschiedlichen Wellenlängen X_x und X_v (0,45 < A* < Ao μΐη, λ_ϋ<Χ,< 1,2 μιτι), die auf den kleinen Bereich zwischen den paarweise aufgebrachten Metallelektroden der Heterosperrschicht- Ph"· ic dioden fallen, können an den Anschlüssen 15 und 16 in getrennte elektrische Signale umpefonn: werden. D.e elektrischen Signale am Anschluß 15 entsprechen den Signale mit Wellenlängen A,, und die Signale am Anschluß 16 entsprechen den Wellenlängen Xy. Dei Vorwiderstand in der Vurspannungsqueüe soll nicnt viel geringer als der Widerstand der ! Ieterosperrschicht-Photodiode sein, um hohe Hhotuspannungen an den Ausgangsanschlüssen 20 und 21 zu erzeugen; ein Widerstandswert von 1 bis 10 mfi wird bevorzugt. Die Betriebsspannung der Gleichrichterdiode in der Durchlaßrichtung soll viel geringer als die in der Isotyp-Heterosperrschicht-Photodiode sein, um hohe Ausgangsspannungen an den Ausgangsanschlüssen 15 und 16 zu erzeugen; ein Betriebsspannungswert unter 0,1 Volt wird bevorzugt.

Die n-n-ZnSe-Si-Isotyp-Heterosperrschicht-Photodioden werden z. B. durch epitaktisches Aufwachsenlassen von ZnSe-Schichten vom η-Typ mit einer Dicke von etwa 0,5 μπι (spezifischer Widerstand ~ 10³QCm) auf eine (1 H)-Ebene von Si-Einkristallplättchen vom n-Typ mit einer Dicke von etwa 100 μπι (apezifischer Widerstand—10²OCm) unter Anwendung eines HF Aufstäubungsverfahren, gefolgt von einem Aufdampfen von halbtransparentem in mit Kontaktstellen mit geringem Widerstand im Vakuum auf das ZnSe und Si, hergestellt Das Licht fällt auf die Oberfläche des ZnSe.

Ein geeignetes epitaktisches Verfahren kann zur Herstellung der Isotyp-Heterosperrschicht-Photodiode angewendet werden, wie z. B. ein Verfahren unter Verwendung einer Lösung oder ein chemisches Dampfablagerungsverfahren, sofern die entstehenden Isotyp-Heterosperrschicht-Photodioden nur eine doppelt verarmte Sperrschicht mit nachweisbaren Photospannungen haben.

Wie oben angegeben ist, entspricht die Betriebsbandbreite des Photowandlers annähernd den Energiebandabständen der gepaarten Halbleiter, die die Isotyp-Heterosperrschichten bilden, und diese Bandbreite liegt annähernd zwischen den Wellenlängen, die den Energiebandabständen der gepaarten Halbleiter entsprechen. Daher können verschiedene Photowandler mit verschiedenen Betriebsbandbreiten durch Wahl geeigneter Kombinationen der Halbleiter, die die genannten Isotyp-Heterosperrschichten bilden, hergestellt werden. Kombinationen von Halbleitern, die große Energiebandabstände haben, wie z. B. SnC>2 von n-Typ und ZnSe vom n-Typ, ergeben einen Photowandler, der in einem kurzen Wellenlängenbereich arbeitet, d. h. dem blauen bis ultravioletten Wellenlangenbereich. Kombinationen von Halbleitern, die geringe Bandabstandsenergien haben, wie z. B. Ge vom n-Typ und InSb vom n-Typ, ergeben einen Photowandler, der im langen Wellenlangenbereich arbeitet, d. h. im Infrarotbereich. Kombinationen von einem Halbleiter, der eine große Bandabstandsenergie hat, und einem Halbleiter, der eine kleine Bandabstandsenergie ha., wie z. B. SnÜ2 vom n-Typ und InSb vcm n-Typ, ergeben einen Photowand ler, a.,r in einem breiten Frequenzbereich zwischen dem ultravioletten und dem iniraruten Strahlenbereich arbeitet.

Halbleiter, die als Photowandier nach der Erfindung verwendet we.clen können, sind nicht auf Halbleiter vom n-Typ beschränkt. Halbleiter vom p-Typ sind ebenfalls verwendbar, und sowohl Halbleiter aus

lu Elementen als auch Halbleiter aus Verbindungen sind ^ci^v.!.. So werden die Isotyp-Heterosperrschichirivjiodioden vorzugsweise aus gepaarten Halbleitern von n-Typ ans Element-Halbleitern, wie z. B. Ge-Si oder Te, oder aus Verblnduiigs-Halbleitern, wie z. B. CdSe, ZnSe. ZnO, SnO2, <~>a^A.s oder InSb., oder aus gepaarten Halbleitern vom p-Typ. die aus Element-Halbleitern, wie z. B. Gc, Si oder Te oder aus Verbindungs-Halbleitern, wie z. ß. CdTe, GaAs oder InSb bestehen, hergestellt.

Der Photowandler kann seine Empfindlichkeit gegenüber empfangbaren Bandbreiten mit hoher Geschwindigkeit ändern, wenn veränderliche Vorspannungen, wie z. B. Sägezahn-Spannungen an die Heterosperrschicht-Photodioden angelegt werden. Unter Anwendung solcher Vorspannungen und Abtastung der elektrischen Ausgangsspannung können Photowandler, wie z. B. anhand der F i g. 1 erläutert werden soll, auch Lichtsignale empfangen, die mehrere unterschiedliche Wellenlängen enthalten. Wenn z. B, wie unter Hinweis auf die F i g. 2 erläutert werden soll, Sägezahn-Spannungen, deren minimale und maximale Spannungen 0 und V₂ Volt sind, an die Heterosperrschicht-Photodiode 1 des in der F i g. 1 dargestellten Photowandlers angelegt werden und Lichtsignale mit mehreren Wellenlängen, die z.B. die Wellenlängen Ai, Xi und A3 (A₃<A₂<Ai, Aoi<A!<A_a Α₀₂<Α₂<Α₀ι, A„<A₃<A₂) aufweisen, auf die Heterosperrschicht-Photodioden auftreffen, entsprechen die am Anschluß 3 in der F i g. 1 erscheinenden elektrischen Ausgangssignale dem Licht der Wellenlängen Ai, A₂, A₃ bei der angegebenen Vorspannung von 0 und A₂, A₃ bei der angegebenen Vorspannung Vi und A₃ bei der angegebenen Vorspannung V₂. Daher können durch Abtastung dieser elektrischen Signale innerhalb einer Zeitspanne und Feststellung der Unterschiede zwischen diesen elektrischen Signalen die mehrere Wellenlängen enthaltenden Lichtsignale in getrennte elektrische Signale umgewandelt werden. Das vorstehend angegebene Beispie! zeigt, daß ein Photowandler mehrkanaüse Lichtsignale, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, empfangen kann. Die Anzahl der Kanäle dieser Lichtsignale ist nicht auf zwei oder drei begrenzt, wie in dem vorstehenden Beispiel beschrieben ist

Der Photowandler kann leicht in ^orm integrierter Schaltungen nach üblichen für mikroelektronische Geräte entwickelte Integrierungstechniken hergestellt werden. Der Photowandler ist daher zur Herstellung integrierter optisch-elektronischer Anordnungen sehr geeignet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Abstimmbarer Photowandler mit einer Heterosperrschicht-Photodiode aus zwei Schichten von Halbleiterstoffen des gleichen Leitungstyps (p oder n), von denen der den kleineren Energiebandabstand aufweisende eine Basisschicht bildet und der den größeren Energiebandabstand aufweisende auf der Basisschicht als Fenster aufgebracht ist, wobei die Heterosperrschicht-Photodiode beim Einfall von Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des kürzerwelligen Teilbereiches des nachweisbaren Wellenlängenbereiches eine Spannung einer bestimmten Polarität sowie beim Einfall von Licht mit einer is Wellenlänge innerhalb des längerwelligen Teilbereiches des nachweisbaren Wellenlängenbereiches eine Spannung der entgegengesetzten Polarität erzeugt, und wobei die Höhe dieser Spannungen der relativen Stärke des einfallenden Lichtes entspricht, mit einer auf -lern Fenster angebrachten Metallelektrode und einer einstellbaren Vorspannungsquelle zwischen der Metallelektrode und der Basisschicht zur Vorspannung des Heterosperrschicht-Übergangs in Durchlaßrichtung sowie einer parallel zu der Vorspannungsquelle gelegten Gleichrichterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Photowandler eine in Abstand zur Metallelektrode (Ua)angeordnete zusätzliche Metallelektrode [i2a) auf dem Fenster aufweist, wobei der Bereich des Fensters zwischen den Metallelektroden das einfallende Licht empfängt, daß eine weitere Vorspannungsquelle (19) zwischen die zusätzliche Metallelektrode und die Basisschicht geschaltet ist, die eine Vorspannung liefert, die der Vorspannung der ersten Vorspannungsquelle (18) entspricht, und daß eine zusätzliche Gleichrichterschaltung (14) so parallel zur zusätzlichen Vorspannungsquelle (19) liegt, daß ihre Durchlaßrichtung der Durchlaßrichtung der ersten Gleichrichterschaltung (13) entge- «o gengesetzt ist, wodurch die Ausgangsspannungen der Gleichrichter- bzw. der zusätzlichen Gleichrichterschaltung die relative Stärke des einfallenden Lichtes im kürzerwelligen bzw. im längerwelligen Teilbereich des nachweisbaren Wellenlängenberei- ^ ches angeben.

2. Abstimmbarer Photowandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannungsquelle (18) und als zusätzliche Vorspannungsquelle (19) Sägezahngeneratoren vorgesehen sind. so