DE2402183A1 - ELECTROLUMINESCENT DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING IT - Google Patents
ELECTROLUMINESCENT DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING ITInfo
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Description
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
DIPL.-ING. ERNST RATHMANNDIPL.-ING. ERNST RATHMANN
München 71, Melchiorstr. 42Munich 71, Melchiorstr. 42
Unser Zeichen: A 12 776Our reference: A 12 776
FERRANTI LIMITED Hollinwood, Lancashire EnglandFERRANTI LIMITED Hollinwood, Lancashire England
Elektrolumineszierende Vorrichtlang und Verfahren zu deren Herstellung Electroluminescent devices and methods of making them
Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszierende Halbleitervorrichtung mit einem elektromagnetische Strahlung emittierenden PN-Übergang und einer negativen Widerstandscharakteristik, bestehend aus einer epitaxialen Bereiche entgegengesetzter Leitfähigkeit und den PN-Übergang enthaltenden Schicht aus einem Halbleitermaterial der Gruppen III - V auf einem Träger, und mit elektrischen Anschlußkontakten sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher elektrolumineszierender Halbleitervorrichtungen und eins aus derartigen Halbleitervorrichtungen aufgebaute Anzeigevorrichtung.The invention relates to a semiconductor electroluminescent device with a PN junction which emits electromagnetic radiation and a negative resistance characteristic of an epitaxial regions of opposite conductivity and the layer of a semiconductor material containing the PN junction of groups III - V on a carrier, and with electrical connection contacts as well as a process for the production of such electroluminescent Semiconductor devices and a display device composed of such semiconductor devices.
Ein Halbleitermaterial aus III - V-Verbindungen kann ein "indirectgap'LHalbleiter wie z.B. Galliumphosphid oder Galliumarseno-Phosphid oder ein "direct-gap"-Halbleiter wie Galliumarsenid sein. Dabei bezieht sich der Begriff "indirect-gap" auf das verbotene Band zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband bei nicht gleichgerichteten WeIlenvektoren und der Begriff "direct-gap" auf das verbotene Band zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband bei gleichgerichteten Wellenvektoren. Ein "indirect-gap"-Halbleiter ist einA semiconductor material made of III - V compounds can be an "indirect gap" L semiconductor such as gallium phosphide or gallium arsenic phosphide or a "direct gap" semiconductor such as gallium arsenide. The term "indirect-gap" refers to the forbidden band between the conduction band and the valence band with non-rectified wave vectors and the term "direct-gap" on the forbidden band between the conduction band and the valence band with rectified wave vectors. An "indirect-gap" semiconductor is a
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solcher bei welchem die Elektronen eine Änderung der Energie und des Moments erfahren müssen, damit sie zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband versetzt werden können.such in which the electrons must experience a change in energy and moment in order to be between the conduction band and the valence band can be shifted.
Es ist bekannt, daß elektrolumineszierende Vorrichtungen in Form einer PNPN-Diode eine negative Widerstandscharakteristik haben,
wobei ein PN-Übergang eine elektromagnetische Strahlung emittiert wenn eine elektrische Vorspannung angelegt wird, deren Stärke einen
vorgegebenen Wert übersteigt und daß eine solche Diode danach in der Lage ist, eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren,
wenn die angelegte elektrische Spannung auf einen Wert unterhalb des vorgegebenen Wertes aber oberhalb eines Schwellenwertes reduziert
wird. In einer solchen Vorrichtung besteht eine Wechselwirkung von Trägern mit Minoritäts-Ladung zwischen den einzelnen
Bestandteilen der Vorrichtung.It is known that electroluminescent devices in the form of a PNPN diode have a negative resistance characteristic,
wherein a PN junction emits electromagnetic radiation when an electrical bias voltage is applied, the strength of which exceeds a predetermined value and that such a diode is then able to emit electromagnetic radiation,
when the applied electrical voltage is reduced to a value below the specified value but above a threshold value. In such a device there is an interaction of carriers with minority charge between the individual components of the device.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrolumineszierende
Vorrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik zu
schaffen, die einfacher aufgebaut ist und zuverlässiger arbeitet als die bisher bekannten Vorrichtungen.The invention is now based on the object of providing an electroluminescent device with negative resistance characteristics
create that is simpler and works more reliably than the previously known devices.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch einen geeigneten Träger mit einer epitaxial aufgebrachten Schicht eines Halbleitermaterials
mit indirekter Lücke (indirect gap) aus der Gruppe III - V des
periodischen Systems, wobei in der Schicht ein Bereich des einen Leitfähigkeitstyps und ein Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
angeordnet ist, zwischen denen der PN-Übergang
liegt, wobei der Bereich dieses einen Leitfähigkeitstyps einenAccording to the invention, this is achieved by a suitable carrier with an epitaxially applied layer of a semiconductor material with an indirect gap from group III-V des
periodic system, a region of one conductivity type and a region of the opposite conductivity type being arranged in the layer, between which the PN junction
the range of this one conductivity type
den Stromfluß erschwerenden Abschnitt mit einer schwachen Konig 3 zentration von weniger als 5 · 10 freien Ladungsträgern je cmthe section aggravating the current flow with a weak king 3 concentration of less than 5 x 10 6 free charge carriers per cm
aufweist, der wenigstens zwei Diffusions-Längen von Minoritäts-Ladungsträgern
entfernt von dem PN-Übergang liegt, und ferner
Kontakte vorgesehen sind, wobei, wenn ein elektrisbhes Potential, das höher ist als ein vorgegebener Wert, an die Kon-which is at least two minority carrier diffusion lengths away from the PN junction, and further
Contacts are provided, and if an electrical potential that is higher than a predetermined value is applied to the
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takte angelegt wird, der PN-Übergang vorgespannt wird und eine elektromagnetische Strahlung emittiert, wobei eine Strombahn durch die Vorrichtung vorhanden ist, die der vorgenannte Abschnitt kreuzt, wobei ferner durch die Strahlung, die von dem PN-Übergang emittiert wird, eine Reduzierung der Stromsperrwirkung dieses Abschnittes hervorgerufen wird und zwar in einem größeren Umfang als die Reduzierung, die durch die Wechselwirung der Minoritäts-Ladungsträger zwischen diesem Abschnitt und dem PN-Übergang erzeugt wird, so daß infolge der Reduzierung der Stromsperrwirkung der PN-Übergang weiterhin eine elektromagnetische Strahlung emittiert solange die angelegte elektrische Spannung über einem Schwellenwert unterhalb des vorgegebenen Wertes liegt.clocks is applied, the PN junction is biased and emits electromagnetic radiation, creating a current path is present by the device which the aforesaid section crosses, and furthermore by the radiation emanating from the PN junction is emitted, a reduction in the current blocking effect of this section is caused to a greater extent than the reduction caused by the interaction of the minority charge carriers is generated between this section and the PN junction, so that as a result of the reduction in the current blocking effect the PN junction continues to emit electromagnetic radiation as long as the electrical voltage applied to it Threshold value is below the specified value.
Im Wirts-Krietallgitter der epitaxialen Schicht sind Stellen , von denen jede von einem Stickstoffatom besetzt ist oder von einem Atom oder Molekül eines Materials, das isoelektronisch mit Phosphor im Wirts-Gitter ist. Das Material enthält somit ein Element oder einen Komplex von Elementen, wobei bei einem Komplex von Elementen, die isoelektronisch mit Phosphor sind, angenommen wird, daß ihr Molekül-Aufbau ein Äquivalent zur äußeren Elektronenschale eines Phosphoratoms hat. In the host crystal lattice of the epitaxial layer there are places each of which is occupied by a nitrogen atom or by an atom or molecule of a material that is isoelectronic with Phosphorus is in the host lattice. The material thus contains an element or a complex of elements, with a complex elements that are isoelectronic with phosphorus are assumed to have an equivalent molecular structure to the outer electron shell of a phosphorus atom.
Wenn der PN-Übergang durch eine Strahlung bestrahlt wird, deren Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängen-Bandes liegt, die die Wirkung der Stromsperrung bzw. Strombehinderung reduzieren und die Strahlung auf den Stromsperrabschnitt von außerhalb der Vorrichtung einfällt, so werden der vorgegebene Wert und der Schwellenwert der elektrischen Spannung, die an den PN-Übergang angelegt wird, erniedrigt. Der Bereich, der den Stromsperrabschnitt bzw. Stromfluß-Behinderungsabschnitt umfaßt, kann P-Leitfähigkeit oder N-Leitfähigkeit haben.If the PN junction is irradiated by radiation whose wavelength lies within a wavelength band that corresponds to the Reduce the effect of the current blocking or current obstruction and reduce the radiation on the current blocking section from outside the Device occurs, the predetermined value and the threshold value of the electrical voltage applied to the PN junction is applied, humiliated. The area including the current blocking portion can be P-type conductivity or have N-conductivity.
Dieser Abschnitt mit der schwachen Konzentration von Weniger alsThis section with the weak concentration of Less than
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5 · 10 freien Ladungsträgern je cm kann eine Zusammensetzung haben, die in gewünschtem Ausmaß von der stöchiometrischen Mischung der Bestandteile des Halbleitermaterials abweicht. Der Strom-Behinderungsabschnitt (current impeding portion) kann hierbei mitA composition can contain 5 · 10 free charge carriers per cm have that to the desired extent from the stoichiometric mixture the components of the semiconductor material differs. The stream obstruction section (current impeding portion) can be used with
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einer Verunreinigung rait tiefem Niveau (deep level impurity) dotiert und derart angeordnet sein, daß die Konzentration der Verunreinigung mit tiefem iSfiveau größer als die Konzentration der Verunreinigung ist, welche den Leitfähigkeitstyp bestimmt.an impurity rait low level (deep level impurity) doped and arranged so that the concentration of the low level impurity is greater than the concentration of the impurity which determines the conductivity type.
Der PN-Übergang einer solchen Vorrichtung kann die elektromagnetische Strahlung emittieren, sowohl bei Betrieb in Vorwärtsrichtung wie in Sperrichtung. In der vorliegenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß der PN-Übergang vorgespannt ist, wenn die Richtung des angelegten Potentials geeignet ist, den PN-Übergang zum emittieren der elektromagnetischen Strahlung zu veranlassen.The PN junction of such a device can be the electromagnetic Emit radiation, both when operating in the forward direction and in the reverse direction. In the present description Assume that the PN junction is biased if the direction of the applied potential is appropriate, the PN junction to cause the electromagnetic radiation to be emitted.
Der Abstand des Strombehinderungsabschnittes, der wenigstens zwei Diffusions-Längen von Minoritäts-Ladungsträgern entfernt vom PN-Übergang ist, gewährleistet, daß die von letzterem emittierte Strahlung eine größere Wirkung auf diesen Abschnitt hat als die Wechselwirkung der Minoritäts-Ladungsträger zwischen diesem Abschnitt und dem PN-Übergang.The distance of the flow obstruction portion that is at least two diffusion lengths away from minority carriers from the PN junction ensures that the radiation emitted by the latter has a greater effect on this section has as the interaction of the minority charge carriers between this section and the PN junction.
Der vorgegebene Wert des elektrischen Potentials ist eine Funktion der Dicke des Stroinbehinderungsabschnittes und der Schwellenwert ist bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften der Materialien der elektrolumineszierenden Vorrichtung. The predetermined value of the electrical potential is a function of the thickness of the flow obstruction portion and the The threshold value is determined by the physical properties of the materials of the electroluminescent device.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in derExemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing, in which
Fig. 1 einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gallium-Phosphid zeigt.Fig. 1 shows part of a gallium phosphide device according to the invention.
Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Einrichtung zur Herstellung der Vorrichtung nach Fig. 1, insbesondere zum epitaxialenFIG. 2 shows in section a device for producing the device according to FIG. 1, in particular for the epitaxial
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Aufbringen einer Schicht eines Halbleitermaterials aus einer flüssigen Phase auf ein Substrat.Application of a layer of a semiconductor material from a liquid phase to a substrate.
Fig. 3 zeigt den Spannungs-Strom-Verlauf der Vorrichtung nach Fig. 1.Fig. 3 shows the voltage-current curve of the device Fig. 1.
Fig. 4 zeigt die Schaltung eines Bildgerätes mit einer Vielzahl von elektrolumineszierenden Vorrichtungen nach Fig. 1, die in einem regelmäßigen rechtwinkeligen Feld angeordnet sind.Fig. 4 shows the circuit of an image device with a plurality of electroluminescent devices according to Fig. 1, which are arranged in a regular rectangular field.
Die elektrolumineszierende Vorrichtung Io nach Fig. 1 ist in einem Körper aus Gallium-Phosphid ausgebildet. Dieser umfaßt ein Substrat 11 in Form eines gezogenen Kristalls, wobei das Substrat geläppt, poliert und geätzt ist. Das Substrat wird dann in geschmolzenes Gallium gebracht, das mit Gallium-Phosphid gesättigt und mit Stickstoff dotiert ist. Die Schmelze ist ferner mit einer sehr viel schwächeren Konzentration an Schwefel als derjenigen des Stickstoffs dotiert und der monokristalline Bereich 12 aus Gallium-Phosphid mit N-Leitfähigkeit, der stark mit Stickstoff dotiert ist, ist epitaxial aus der flüssigen Phase auf das Substrat 11 aufgebracht worden.The electroluminescent device Io of FIG. 1 is shown in FIG a body made of gallium phosphide. This comprises a substrate 11 in the form of a drawn crystal, the Substrate is lapped, polished and etched. The substrate is then placed in molten gallium containing gallium phosphide is saturated and doped with nitrogen. The melt is also with a much weaker concentration of sulfur doped as that of nitrogen and the monocrystalline region 12 made of gallium phosphide with N-conductivity, which is strongly is doped with nitrogen, has been applied epitaxially from the liquid phase to the substrate 11.
Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt die Vorrichtung einen Ofen mit einem hohlen Quarzrohr 20, das mit vertikaler Achse angeordnet ist. In dem Quarzrohr 20 ist ein Quarztiegel 21 angeordnet, der auf einem Stab 22 montiert ist, durch den der Tiegel 21 in das Rohr 20 eingeführt oder aus ihm herausgenommen wird. Der Tiegel wird mit den Bestandteilen der gewünschten Schmelze beschickt und in einer Wasserstoff-Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1050°C erhitzt, um die Charge zu schmelzen. Die Schmelze ist mit 23 bezeichnet. Wenn die Charge geschmolzen ist, wird das Substrat 11 an einer Halterung 25 angeordnet und in die Schmelze 23 eingetaucht. Die Halterung 25 umfaßt ein hohlesAs shown in Fig. 2, the apparatus comprises an oven with a hollow quartz tube 20, which is arranged with a vertical axis. A quartz crucible 21 is arranged in the quartz tube 20 and is mounted on a rod 22 through which the crucible 21 enters the tube 20 is inserted or removed from it. The crucible is charged with the components of the desired melt and heated in a hydrogen atmosphere to a temperature of about 1050 ° C to melt the charge. The melt is denoted by 23. When the charge has melted, the substrate 11 is placed on a holder 25 and inserted into the Melt 23 immersed. The holder 25 comprises a hollow one
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Quarzteil mit einem hohlen Schaft 26, an dessen einem Ende eine hohle flache Platte 27 angeordnet ist, deren hohler Teil in Verbindung mit dem hohlen Teil des Schaftes steht. In dem hohlen Teil der Platte 27 ist ein elektrisches Widerstands-Heizelement 28 angeordnet, das über elektrische Leitungen 29, die durch den hohlen Teil des Schaftes 26 verlaufen, an eine nicht gezeigte elektrische Energiequelle angeschlossen ist. Das Substrat 11 wird von der Halterung 25 gehalten und es erstreckt sich im wesentlichen horizontal auf der oberen Fläche der Platte 27 der Halterung.Quartz part with a hollow shaft 26, at one end of which a hollow flat plate 27 is arranged, the hollow part of which is in connection with the hollow part of the shaft. In the hollow part of the plate 27 is an electrical resistance heating element 28 arranged, which via electrical lines 29, which run through the hollow part of the shaft 26, to a not shown electrical energy source is connected. The substrate 11 is held by the holder 25 and extends in the substantially horizontally on the upper surface of the plate 27 of the bracket.
Der Bereich 12 der Vorrichtung 10 mit N-Leitfähigkeit wird auf dem Substrat 11 niedergeschlagen, während das Substrat sich in der Schmelze 23 befindet. Die Konzentration des Schwefels in dem niedergeschlagenen Gebiet liegt im Bereich von 10 bis 5 * 10 Atomen je cm und vorzugsweise im Bereich von 5 · 10 bis 10 Atomen je cm . Die Stickstoffkonzentration liegt im Bereich von 10 bis 101 Atomen je cm und vorzugsweise im Bereich von 5 · ΙΟ17 bis 5 · 10 Atomen je cm^.The area 12 of the device 10 with N-conductivity is deposited on the substrate 11 while the substrate is in the melt 23. The concentration of sulfur in the precipitated area is in the range of 10 to 5 * 10 7 atoms per cm and preferably in the range of 5 * 10 to 10 atoms per cm. The nitrogen concentration is in the range from 10 to 10 1 atoms per cm and preferably in the range from 5 × 17 to 5 × 10 7 atoms per cm ^.
Die Geschwindigkeit der Ablagerung des Halbleitermaterials wird kontrolliert bzw. gesteuert, so daß in dem fraglichen Bereich die Konzentrationen der Verunreinigungen innerhalb der gewünschten Grenzen liegen, wobei ein Strom-Behinderungsbereich 30 (current impeding portion) innerhalb des Bereiches 12, der N-Leitfähigkeit hat, vorgesehen ist. Der Abschnitt 30 hat eine Konzentration von freien Ladungsträgern von weniger als 5 · 10 je cm . Der Abschnitt 30 wird erzeugt indem zeitweilig die elektrisch aktive Konzentration von Schwefel in der Schmelze 23 und angrenzend an das Substrat 11 reduziert wird und die Zusammensetzung des abgeladenen Materials differiert in dem gewünschten Ausmaß von dem stöchiometrischen Gemisch der Bestandteile des Halbleitermaterials, wenn der Abschnitt 30 gebildet wird. Ferner kann eine Verunreinigung mit tiefem Niveau (deep level impurity) die inThe rate of deposition of the semiconductor material is controlled so that in the area in question the concentrations of the impurities are within the desired limits, with a current obstruction area 30 (current impeding portion) is provided within the area 12, which has N conductivity. The section 30 has a concentration of free load carriers of less than 5 · 10 per cm. The section 30 is generated by temporarily the electrically active Concentration of sulfur in the melt 23 and adjacent to the substrate 11 is reduced and the composition of the dumped Material differs to the desired extent from the stoichiometric mixture of the components of the semiconductor material, when section 30 is formed. Furthermore, a deep level impurity can occur in
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der Schmelze 23 vorhanden ist, wie z.B. Silicium, vorgesehen werden, die als Akzeptor-Verunreinigung in dem Abschnitt 30 wirkt. Die Ablagerungsgeschwindigkeit des Halbleitermaterials wird durch die Konstruktion des hierzu verwendeten Gerätes, wie kristallographische Orientierung des Substrates, die Polarität des niedergeschlagenen Materials, die Konzentration der Verunreinigung in der Schmelze, die Abkühlungsgeschwxndigkeit der Schmelze und die Größe des Temperaturgradienten in der Schmelze und angrenzend an das Substrat gesteuert. Die erforderliche zeitweilige Reduktion der Konzentration des Schwefels in der Schmelze und angrenzend an das Substrat und die erforderliche Abweichung vom stöchiometrisehen Gemisch der Halbleiterverbindung bei der Herstellung des Abschnittes 30 wird erreicht, indem das Halbleitermaterial unter vom Normalen abweichenden Bedingungen niedergeschlagen wird. Die gewünschte Änderung dieser Bedingungen kann im wesentlichen während der gesamten Ablagerung des Bereiches 12 mit N-Leitfähigkeit vorhanden sein, wobei die Schwefelkonzentration in der Schmelze und angrenzend an das Substrat sich von einem anfangs erforderlichen Wert verändert und dann nach Bildung des Abschnittes 30 automatisch auf den gewünschten Wert zurückkehrt. Alternativ kann die gewünschte Änderung der Ablagerungsbedingungen nur zeitweilig vorherrschen, d.h. während der Bildung des Abschnittes 30. Eine zeitweilige Änderung der Niederschlagsgeschwindigkeit kann erreicht werden indem in der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung vorübergehend die Temperatur des Substrates dadurch erhöht wird, daß während einer geeigneten Zeitspanne das Heizelement 28 in der Halterung 25 eingeschaltet wird, wodurch der Temperaturgradient an der Grenzschicht des Substrates und der epitaxialen Schicht und in der Schmelze in der Nähe des Substrates geändert wird.of the melt 23 is present, such as silicon, may be provided as an acceptor impurity in the section 30 works. The rate of deposition of the semiconductor material is determined by the design of the device used for this purpose, such as the crystallographic orientation of the substrate, the polarity of the deposited material, the concentration of the impurity in the melt, the cooling rate of the melt and the size of the temperature gradient in the melt and controlled adjacent to the substrate. The necessary temporary reduction in the concentration of sulfur in the Melt and adjacent to the substrate and the required deviation from the stoichiometric mixture of the semiconductor compound in the manufacture of the section 30 is achieved by the semiconductor material under conditions deviating from normal being knocked down. The desired change in these conditions can be made substantially throughout the deposition of the area 12 with N-conductivity, whereby the sulfur concentration in the melt and adjacent to the substrate varies from changed to an initially required value and then automatically to the desired value after section 30 has been formed returns. Alternatively, the desired change in the deposition conditions can only prevail temporarily, i.e. during the formation of section 30. A temporary change in the rate of precipitation can be achieved by in the 2, the temperature of the substrate is temporarily increased by the fact that during a suitable Period of time the heating element 28 in the holder 25 is switched on, whereby the temperature gradient at the boundary layer of the Substrate and the epitaxial layer and in the melt in the vicinity of the substrate is changed.
Indem das Substrat 11 so gehalten wird, daß es im wesentlichen waagerecht auf der Halterung 25 liegt, anstatt senkrecht zu verlaufen, erhält der Bereich 12 mit N-Leitfähigkeit eine zweck-By holding the substrate 11 so that it lies substantially horizontally on the holder 25 instead of running vertically, the area 12 with N-conductivity receives a functional
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mäßige Oberfläche und es ist möglich, die gewünschten Bereiche mit N-Leitfähigkeit gleichzeitig auf einer Vielzahl von Substraten zu erzeugen.moderate surface and it is possible to create the desired areas with N-conductivity simultaneously on a large number of substrates to create.
Die elektrolumineszierende Vorrichtung 10 hat ferner einen Bereich 31 mit P-Leitfähigkeit auf dem Bereich 12 mit N-Leitfähigkeit. Der Bereich 31 kann epitaktisch aus einer flüssigen Phase erzeugt werden ähnlich wie oben in Verbindung mit der Herstellung des Bereiches 12 beschrieben wurde, oder wie in Fig. 1 gezeigt ist, durch Diffusion einer Akzeptor-Verunreinigung in einem ausgewählten Teil des N-Bereiches. Die Akzeptorverunreinigung kann Zink enthalten bzw. Zink sein und sie wird in den N-Bereich bei einer niedrigen Temperatur von etwa 65O°C eindiffundiert, so daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers während der Diffusion nicht beschädigt wird und eine hohe Konzentration von Zink an der Oberfläche vermieden wird. Der PN-Übergang 32 zwischen dem N-Bereich 12 und dem P-Bereich 31 emittiert eine elektromagnetische Strahlung wenn ein elektrisches Potential an ihn angelegt wird, wobei diese Strahlung Licht im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums enthält. In dem P-Bereich 31 ist eine Zink-Konzentration im Bereich von etwa 10 bis 10 Atomen je era erforderlich und der Elektroluminesxönz-Wirkungsgrad der Vorrichtung liegt in der Größenordnung von etwa 0,1 bis 0,2%.The electroluminescent device 10 also has an area 31 with P conductivity on area 12 with N conductivity. The region 31 can epitaxially consist of a liquid phase can be generated in a manner similar to that described above in connection with the manufacture of the region 12, or as shown in FIG. 1 is, by diffusion of an acceptor impurity in a selected part of the N-region. The acceptor contamination can Contain zinc or be zinc and it is diffused into the N region at a low temperature of about 650 ° C, see above that the surface of the semiconductor body is not damaged during diffusion and a high concentration of zinc the surface is avoided. The PN junction 32 between the N region 12 and the P region 31 emits an electromagnetic one Radiation when an electrical potential is applied to it, this radiation being light in the green area of the the visible spectrum. In the P region 31, a zinc concentration is in the range of about 10 to 10 atoms each what is required and the electroluminescence efficiency of the Device is on the order of about 0.1-0.2%.
An dem Substrat sind Kontakte 33 und an dem P-Bereich sind Kontakte 34 angeordnet. Die Kontakte können in bekannter Weise angebracht und ausgebildet sein und die Vorrichtung 10 kann in irgendeinem geeigneten Gehäuse angeordnet oder untergebracht sein.There are contacts 33 on the substrate and contacts 33 on the P-region 34 arranged. The contacts can be attached and formed in a known manner and the device 10 can be shown in FIG any suitable housing arranged or housed.
Der Strombehinderungsabschnitt 30 erstreckt sich ganz über den Stromweg durch die Vorrichtung 10.The flow obstruction portion 30 extends entirely across the flow path through the device 10.
Die Spannungs-Strom-Charakteristik der Vorrichtung ist in Fig.The voltage-current characteristic of the device is shown in Fig.
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gezeigt. Wenn der PN-Übergang 32 durch das Anlegen eines elektrischen Potential vorgespannt wird, wird die Stärke des Stromes, der durch die Vorrichtung fließt, infolge des Vorhandenseins des Strombehinderungsabschnittes 30 reduziert. Da jedoch die Höhe des elektrischen Vorspann-Potentials zunimmt, steigt auch die Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die der PN-Übergang emittiert. Wenn dieses elektrische Potential einen vorgegebenen Wert A erreicht, emittiert der PN-Übergang eine elektromagnetische Strahlung mit besonderer Intensität und die Wirkung des Abschnittes 30 ist in einem solchen Ausmaß reduziert worden, daß die Vorrichtung einen negativen Widerstandseffekt aufweist. Die Größe des vorgegebenen Wertes ist eine Funktion der Dicke des Abschnittes 30 und in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt dieser vorgegebene Wert des elektrischen Vorspannungspotentials unter 10 Volt. Die angelegte Spannung kann dann auf einen Schwellenwert reduziert werden, der durch den Punkt B angezeigt ist, wobei der PN-Übergang weiterhin eine beträchtliche elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Vorrichtung hat somit eine selbstsperrende Wirkung indem zunächst ein Vorspannpotential angelegt wird, das höher ist als der vorgegebene Wert, während dann ein Potential an den PN-Übergang gelegt wird, der höher ist als der Schwellenwert. Der PN-Übergang kann durch ein elektrisches Potential vorgespannt werden, das über dem Schwellenwert liegt, ehe das Potential mit dem vorgegebenen Wert angelegt wird. Wenn an den PN-Übergang kontinuierlich ein Potential oberhalb des Schwellenwertes angelegt wird, kann die Emission der elektromagnetischen Strahlung angehalten werden durch Anlegen eines Spannungsimpulses an den PN-Übergang 32, dessen Stärke unter dem Schwellenwert liegt oder durch Anlegen einer Spannung, die entgegengesetzte Polarität zu derjenigen hat, die die Emission der elektromagnetischen Strahlung hervorruft. Die Größe des Schwellenwertes ist durch die physikalischen Eigenschaften der Materialien der elektroluminesζierenden Vorrichtung bestimmt.shown. When the pn junction 32 by applying an electrical Potential is biased, the magnitude of the current flowing through the device becomes due to its presence of the flow hindering portion 30 is reduced. However, as the level of the electrical bias potential increases, it also increases the intensity of the electromagnetic radiation emitted by the PN junction. When this electrical potential becomes a Reached predetermined value A, the PN junction emits electromagnetic radiation with a particular intensity and the Effect of section 30 has been reduced to such an extent that the device has a negative drag effect having. The size of the predetermined value is a function of the thickness of the section 30 and in a preferred embodiment of the invention this predetermined value is the electrical Bias potential below 10 volts. The applied voltage can then be reduced to a threshold value that is determined by point B is indicated, the PN junction continuing to emit considerable electromagnetic radiation. The device thus has a self-locking effect in that a higher bias potential is first applied than the predetermined value, while a potential higher than the threshold value is then applied to the PN junction. The PN junction can be biased by an electrical potential that is above the threshold value before the Potential is applied with the specified value. If the PN junction is continuously at a potential above the Threshold is applied, the emission of electromagnetic radiation can be stopped by applying a Voltage pulse to the PN junction 32, the strength of which is below the threshold value or by applying a voltage of the opposite polarity to that of the emission the electromagnetic radiation. The size of the threshold is determined by the physical properties of the materials of the electroluminescent device determined.
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Die Reduzierung der Stroinbehinderungs-Wirkung des Abschnittes 30 durch die von dem PN-Übergang emittierte Strahlung ist größer als die Reduktion, die durch die Wechselwirkung der Minoritäts-Ladungsträger zwischen diesem Abschnitt und dem PN-Übergang hervorgerufen wird. Dies wird dadurch gewährleistet, daß der Abschnitt 30 wenigstens zwei Diffusionslängen von Minoritäts-Ladungsträgern entfernt von dem PN-Übergang 32 liegt.The reduction of the stroke impeding effect of section 30 The radiation emitted by the PN junction is greater than the reduction caused by the interaction of the minority charge carriers between this section and the PN junction. This is ensured that the section 30 at least is two diffusion lengths of minority carriers away from the PN junction 32.
Die Zusammensetzung des Abschnittes 30 kann bis zu dem gewünschten Umfang von dem stöchiometrisehen Gemisch der Bestandteile der Halbleiterverbindung abweichen und hat somit eine Konzentration von freien Ladungsträgern von weniger als 5 · 10 je cm .The composition of section 30 can be up to that desired Scope differ from the stoichiometric mixture of the constituents of the semiconductor compound and thus has a concentration of free charge carriers of less than 5 x 10 per cm.
Anstatt den Bereich 12 mit N-Leitfähigkeit an das Substrat 11 angrenzen zu lassen kann auch der Bereich 31 mit P-Leitfähigkeit an das Substrat angrenzen. Der P-Bereich wird dann zu Anfang epitaxial aus der flüssigen Phase abgelagert und der N-Bereich kann auf dem P-Bereich niedergeschlagen werden.Instead of having the area 12 with N conductivity adjoining the substrate 11, the area 31 with P conductivity can also be used adjoin the substrate. The P-region is then initially epitaxially deposited from the liquid phase and the N-region can be reflected on the P-range.
Der Abschnitt 30, der den Stromfluß behindert, kann auch im R-Bereich 31 vorgesehen werden, anstatt im N-Bereich 12 und wenn dieser Abschnitt mit einer Verunreinigung mit niedrigem Niveau (deep level impurity) dotiert ist, wirkt diese Verunreinigung als Donator.The section 30, which hinders the flow of current, can also be in the R range 31 should be provided instead of in the N region 12 and when this section has a low level impurity (deep level impurity), this impurity acts as a donor.
Wenn der Abschnitt 30 benachbart zu dem Substrat angeordnet wäre, so wäre der vorgegebene Wert des elektrischen Vorspann-Potentials am PN-Übergang wesentlich höher als wenn der Abschnitt 30 wenigstens zwei Diffusionslängen von Minoritäts-Ladungsträgern entfernt vom Substrat 11 angeordnet ist.If the portion 30 were disposed adjacent to the substrate, the predetermined value of the electrical bias potential would be significantly higher at the PN junction than when section 30 is at least two diffusion lengths from minority charge carriers away from Substrate 11 is arranged.
Wenn der PN-Übergang mit einer Strahlung einer Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbandes bestrahlt wird, das eine Reduzierung der Wirkung des Strombehinderungsabschnittes 30 hervorruft, soWhen the PN junction with radiation of a wavelength within of a wavelength band which causes a reduction in the effect of the current hindering portion 30 is irradiated, so
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fällt die Strahlung auf diesen Abschnitt von außerhalb der Vorrichtung und die Größen des vorgegebenen Wertes und des Schwellenwertes des elektrischen Potentials, das an den PN-Übergang angelegt wird, werden erniedrigt. Die auf den Abschnitt 30 fallende Strahlung kann somit dieselbe Wellenlänge haben wie die von der Vorrichtung emittierte Strahlung oder sie kann irgendeine Wellenlänge innerhalb des geeigneten Wellenlängenbandes haben* Die Emission der Strahlung kann daher durch Bestrahlung durch eine andere ähnliche Vorrichtung oder durch irgendeine geeignete Strahlungsquelle, wie z.B. einem Laserschreiber oder einem Lichtschreiber ausgelöst werden. Das elektrische Potential kann zur Auslösung der elektromagnetischen Strahlung so angelegt werden, daß der PN-Übergang in Vorwärtsrichtung oder in Sperr-Richtung betrieben wird.the radiation falls on this section from outside the device and the magnitudes of the predetermined value and the threshold value of the electrical potential applied to the PN junction will be humiliated. The radiation falling on section 30 can thus have the same wavelength as that from Device emitted radiation or it may be any wavelength within the appropriate wavelength band * The Emission of the radiation may therefore be due to irradiation by some other similar device or by any suitable one Radiation source, such as a laser writer or a light writer. The electrical potential can be applied to trigger the electromagnetic radiation so that the PN junction in the forward direction or in Blocking direction is operated.
Das Halbleitermaterial kann Galliumarseno-Phosphid oder ein anderes "indirect-gap"-Halbleitermaterial oder "direct-gap"-Halbleitermaterial mit einer III - V-Verbindung sein, wobei die Schicht epitaxial auf dem Substrat aus der Dampfphase niedergeschlagen werden kann und der den Stromfluß erschwerende Abschnitt beispielsweise dadurch gebildet wird, daß die Zusammensetzung der Atmosphäre aus der der Niederschlag heraus erfolgt variiert wird.The semiconductor material can be gallium arseno phosphide or another "indirect-gap" semiconductor material or "direct-gap" semiconductor material with a III - V compound, the layer being deposited epitaxially on the substrate from the vapor phase can be and the section which complicates the flow of current is formed, for example, by the fact that the composition the atmosphere from which the precipitation occurs is varied.
Die Vorrichtung emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit Photonen-Energie nahe der Band-Lücke des Halbleitermaterials und die elektromagnetische Strahlung kann eine andere sein als grünes Licht.The device emits electromagnetic radiation with photon energy near the band gap of the semiconductor material and the electromagnetic radiation can be different from green light.
Das Substrat kann jedes Material sein, das sich für einen epitaxialen Niederschlag der Schicht aus beispielsweise Galliumphosphid oder Galliumarseno-Phosphid eignet. Insbesondere eine Schicht aus einem "indirect-gap"-Halbleitermaterial kann mit irgendeinem Material dotiert sein, das isoelektronisch zu Phosphor im Wirts-Gitter des Bereiches ist, z.B. Stickstoff. Es kann nur der Teil derThe substrate can be any material that is suitable for an epitaxial Precipitation of the layer of, for example, gallium phosphide or gallium arseno-phosphide is suitable. In particular a layer of an "indirect-gap" semiconductor material can be doped with any material that is isoelectronic to phosphorus in the host lattice of the Range, e.g. nitrogen. It can only be the part of
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epitaxialen Schicht, der den PN-Übergang umfaßt, in dieser Weise dotiert sein.epitaxial layer comprising the PN junction in this way be endowed.
Eine Vielzahl von elektrolumineszierenden Vorrichtungen 10, wie sie oben beschrieben wurde, kann gleichzeitig in einem Halbleiterkörper ausgebildet werden, insbesondere indem ein P-Bereich 31 durch Diffusion einer Akzeptorverunreinigung in einem ausgewählten Teil eines gemeinsamen N-Bereiches 12 des Halbleiterkörpers hergestellt wird. Auf diese Weise kann ein Feld von elektrolumineszierenden Vorrichtungen in einem einzelnen Halbleiterkörper hergestellt werden und dieses Feld kann Teil eines Bildgerätes sein, wie es schematisch in Fig. 4 gezeigt ist. Die elektrolumineszierenden Vorrichtungen bilden ein Feld aus 8·8 Dioden 10 in einem Halbleiterkörper. Jede Diode 10 liegt in Reihe mit einem nicht gezeigten Widerstand, der zweckmäßigerweise im Substrat 11 der Diode 10 ausgebildet ist.A variety of electroluminescent devices 10, such as it has been described above can be formed in a semiconductor body at the same time, in particular by a P-region 31 by diffusion of an acceptor impurity in a selected part of a common N-region 12 of the semiconductor body will be produced. In this way, an array of electroluminescent devices in a single semiconductor body and this field can be part of an imaging device, as is shown schematically in FIG. the Electroluminescent devices form an array of 8 x 8 diodes 10 in a semiconductor body. Each diode 10 is in Row with a resistor, not shown, which is expediently formed in the substrate 11 of the diode 10.
Jede Reihe der Dioden ist an eine X-Adressen-Leitung angeschlossen, wobei unterschiedliche Reihen einzeln an unterschiedliche X-Adressen-Leitungen angeschlossen sind. In gleicher Weise ist jede Spalte der Dioden des Feldes an eine Y-Adressen-Leitung angeschlossen und wiederum sind verschiedene Spalten einzeln an verschiedene Y-Adressen-Leitungen angeschlossen. Die X-Adressenleitungen sind an eine Dekodiereinrichtung 40angeschlossen, die aufgrund von Eingangssignalen in binär kodierter Form, die über drei Leitungen 41 kommen, die X-Adressen-Leitungen an eine Klemme einer elektrischen Energiequelle anschliessen, die dem Bildgerät zugeordnet und bei 42 gezeigt ist. Jede Adressenleitung ist einzeln und aufeinanderfolgend an die Energiequelle 42 angeschlossen. Wenn die X-Adressen-Leitung in dieser Weise an die elektrische Energiequelle angeschlossen ist, so ist jede Diode 10, die mit der X-Adressen-Leitung verbunden ist, auswählbar, wobei die Diode, wenn sie ausgewählt worden ist, eine elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Y-Adressen-Leitungen sindEach row of diodes is connected to an X address line, different rows are individually connected to different X address lines. In the same way is each column of the diodes of the array is connected to a Y address line and, in turn, different columns are individual connected to different Y address lines. The X address lines are connected to a decoder 40 which on the basis of input signals in binary coded form, which come via three lines 41, the X address lines to a terminal a source of electrical energy associated with the imaging device and shown at 42. Every address line is individually and successively connected to the energy source 42. When the X address line is sent to the electrical energy source is connected, each diode 10, which is connected to the X-address line, is selectable, wherein the diode, when selected, emits electromagnetic radiation. The Y address lines are
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an eine Dekodiereinrichtung 43 angeschlossen, die aufgrund von Eingangssignalen in binär kodierter Form, die über drei Leitungen 44 kommen, die Y-AdressenLeitungen einzeln an die andere Klemme der Energiequelle 42 legt. Wenn eine Y-Adressen-Leitung'so mit einer Klemme der Energiequelle verbunden ist, so erhält die Diode, die mit der Y-Adressen-Leitung und mit der X-Adressen-Leitung verbunden ist, die an die andere Klemme der Energiequelle 42 gelegt ist, keinen Spannungsimpuls, um ihren PN-Übergang vorzuspannen. Die Stärke dieses Impulses ist größer als der vorgegebene Wert A und der PN-Übergang emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit wenigstens der besonderen Intensität und die elektrolumineszierende Vorrichtung ist idividuell ausgewählt. Die ausgewählte Vorrichtung fährt fort, die elektromagnetische Strahlung in bedeutender Stärke zu emittieren wenn das elektrische Vorspannpotential am PN-Übergang auf einem Wert oberhalb des Schwellenwertes gehalten wird nachdem der Impuls von der Spannungsquelle 42 weggenommen worden ist. Zweckmäßigerweise wird der PN-Übergang jeder Diode des Feldes durch ein elektrisches Potential vorgespannt, dessen Höhe über dem Schwellenwert aber unter dem vorgegebenen Wert während des Betriebs des Bildgerätes liegt, so daß die Diode, wenn sie ausgewählt worden ist, eine selbstverriegelnde Wirkung (self-latching) hat. Die Dioden des Feldes werden durch eine Leitung 45 auf ein Potential oberhalb des Schwellenwertes vorgespannt, wobei diese Leitung auf einem geeigneten Potential V gehalten und über Induktanzen 46 an jede Y-Adressen-Leitung gelegt ist unabhängig davon, ob die Y-Adressen-Leitungen über die Dekodiereinrichtung 43 an die Energiequelle 41 angelegt sind oder nicht. Jede X-Adressen-Leitung ist an einen Punkt angeschlossen, der auf Null-Potential über Induktanzen 47 gehalten ist, unabhängig davon, ob die X-Adressen-Leitungen über die Dekodiereinrichtung 40 mit der Energiequelle 41 verbunden sind.connected to a decoder 43 which, based on input signals in binary-coded form, are transmitted via three lines 44 come, the Y address lines individually to the other terminal of the power source 42. If a Y-address line is so with one terminal of the energy source is connected, the diode receives the one with the Y address line and with the X address line connected to the other terminal of the power source 42 does not have a voltage pulse to bias its PN junction. The strength of this pulse is greater than the predetermined value A and the PN junction emits an electromagnetic one Radiation with at least the particular intensity and the electroluminescent device is selected individually. The selected device continues to emit the electromagnetic radiation at a significant level when the electrical bias potential at the PN junction is maintained at a value above the threshold value after the Pulse has been removed from the voltage source 42. Appropriately, the PN junction of each diode in the field biased by an electrical potential whose level is above the threshold value but below the specified value during the Operation of the imager so that the diode, when selected, has a self-latching effect Has. The diodes of the field are biased by a line 45 to a potential above the threshold value, whereby this Line held at a suitable potential V and applied to each Y address line via inductances 46 is independent whether the Y address lines are applied to the power source 41 via the decoder 43 or not. Any X address line is connected to a point that is held at zero potential via inductances 47, regardless of whether the X address lines via the decoder 40 are connected to the energy source 41.
Aufgrund der Eingangs-Informations-Signale wird ein gewünschtesDue to the input information signals, a desired
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Muster der Dioden des Feldes ausgewählt und veranlaßt die elektomagnetische Strahlung zu emittieren. Wenn somit eine X-Adressen-Leitung an eine Klemme der Energiequelle 42 gelegt ist und jede Diode, die mit dieser X-Adressen-Leitung verbunden ist in der Lage ist, ausgewählt zu werden, werden die mit dieser X-Adressen-Leitung verbundenen Dioden, die ausgewählt werden sollen, aufeinanderfolgend an die andere Anschlußklemme der Energiequelle über die entsprechenden Y-Adressenleitungen gelegt. Damit werden die ausgewählten Dioden veranlaßt Reihe um Reihe mit der Emission der elektromagnetischen Strahlung zu beginnen und auch forzusetzen, nachdem die Impulse von der Energiequelle beendigt sind. Die Dioden setzen die Emission der elektromagnetischen Strahlung fort ohne daß es erforderlich ist, Wiederholungs-Eingangssignale zu liefern. Die Emission der elektromagnetischen Strahlung der ausgewählten Dioden kann abgestellt werden indem ein Spannungsimpuls mit einem niedrigerem Niveau als der Schwellenwert oder ein Spannungsimpuls mit entgegengesetzter Richtung an die PN-übergänge jeder Diode des Feldes gelegt wird, wobei die Mittel hierzu nicht dargestellt sind.Pattern of the diodes of the field selected and caused the electromagnetic To emit radiation. Thus, if an X address line is connected to a terminal of the power source 42 and each Diode connected to this X-address line is capable is to be selected, the diodes connected to this X address line to be selected become sequential connected to the other connection terminal of the energy source via the corresponding Y address lines. The selected Diodes causes row after row to start and continue with the emission of electromagnetic radiation, after the pulses from the energy source are terminated. The diodes continue to emit electromagnetic radiation without the need to provide repeat inputs. The emission of electromagnetic radiation of the selected Diodes can be turned off by a voltage pulse with a lower level than the threshold value or a voltage pulse with the opposite direction to the PN junctions of each diode of the field, the means for this are not shown.
Das vorbeschriebene Bildgerät kann ein Feld aus elektrolumineszierenden Vorrichtungen jeder gewünschten Anordnung haben und es kann jede gewünschte Zahl solcher elektrolumineszierender Vorrichtungen vorgesehen sein. Die erforderlichen Dekodiereinrichtungen sind infolge der Eigensperrung bzw. Eigenverriegelung (self-latching) der elektrolumineszierenden Vorrichtungen einfacher als bei bekannten Bildgeräten dieser Art. Das Bildgerät kann auch eine Vielzahl von einzelnen elektrolumineszierenden Vorrichtungen nach der Erfindung aufweisen anstatt diese Vorrichtungen in einem einzigen Halbleiterkörper auszubilden.The imaging device described above can have an array of electroluminescent Devices can have any desired arrangement and there can be any desired number of such electroluminescent devices be provided. The necessary decoding facilities are due to self-locking or self-latching the electroluminescent devices simpler than with known imaging devices of this type. The imaging device can also be a Having a plurality of individual electroluminescent devices according to the invention instead of these devices in one to form a single semiconductor body.
Die elektrolumineszierenden Vorrichtungen können in anderen Geräten als Bildgeräten, wie sie vorstehend beschrieben wurden, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Feld hergestellt werden, bei demThe electroluminescent devices can be used in other devices as image devices as described above. For example, a field can be created in which
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eine erste Diode eine elektromagnetische Strahlung emittiert, eine oder mehr benachbarte Dioden veranlaßt werden, durch die Strahlung der ersten Diode ihrerseits eine Strahlung zu emittieren, wenn das elektrische Potential am PN-Übergang jeder der weiteren Dioden über dem Schwellenwert liegt, entsprechend der Intensität der Strahlung, die die Diode von der ersten Diode empfangen. Es kann hierbei eine Kettenreaktion erzeugt werden, bei der die Emission der ersten Diode eine zweite Diode zur Emission bringt und die Emission der zweiten Diode erzeugt eine Emission bei der dritten Diode usw. Bei einem Feld, das für eine solche Kettenreaktion vorgesehen ist, kann die Anordnung so sein, daß die Anzahl der Dioden, die zur Emission gebracht werden, die Stärke einer Spannung angibt, die an das Feld gelegt ist, wobei jede Diode, die zur Emission gebracht wird, ein elektrisches Potential hat, das größer ist als der Schwellenwert an seinem PN-Übergang. Jedes derartige Feld kann monolithisch aufgebaut und in einem einzelnen Halbleiterkörper ausgebildet sein oder es kann aus einer Vielzahl von Halbleiterkörpern bestehen. Bei einer anderen Ausbildungsform des Feldes können die Dioden durch selektive Bestrahlung mit einer Strahlung einer geeigneten Wellenlänge eines Laserschreibers oder eines Lichtschreibers selektiv zur Emission gebracht werden.a first diode emits electromagnetic radiation, a or more adjacent diodes are caused to emit radiation in turn by the radiation of the first diode, if the electrical potential at the PN junction of each of the further diodes is above the threshold value, corresponding to the intensity of the Radiation received by the diode from the first diode. A chain reaction can be generated in which the emission of the first diode causes a second diode to emit and the emission of the second diode produces an emission at the third Diode, etc. In a field which is provided for such a chain reaction, the arrangement can be such that the number of Diodes that are made to emit indicates the strength of a voltage that is applied to the field, each diode being the is brought to emission, has an electrical potential that is greater than the threshold value at its PN junction. Each Such a field can be constructed monolithically and formed in a single semiconductor body or it can be made up of a multiplicity consist of semiconductor bodies. With another form of the field, the diodes can be irradiated by selective radiation brought to emission selectively with a radiation of a suitable wavelength of a laser writer or a light writer will.
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GB1465691A (en) | 1977-02-23 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OHW | Rejection |