DE2409784C3 - Schwingungserzeuger aus einem optoelektronischen Paar - Google Patents
Schwingungserzeuger aus einem optoelektronischen PaarInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungserzeuger, bestehend aus einem opto-elektronischen
Paar aus einem Halbleiterlichtempfänger und einem Strahler, welche mittels eines Rückkopp- w
lungskreises elektrisch miteinander gekoppelt sind. Ein solcher Schwingungserzeuger ist aus der französischen
Patentschrift 13 66 822 bekannt.
Bei dieser bekannten Ausbildung hat sowohl der Halbleiterlichtempfänger als auch der Strahler eine r>
eigene Gleichspannungsquelle, wobei diese beiden Stromkreise transformatorisch oder über einen
Schwingkreis miteinander rückgekoppelt sind. Wenn ein von dem Strahler auf den Halbleiterlichtempfänger
auftreffender Lichtstrom dessen Widerstand absinken läßt, kommt es zu einem Ansteigen des Stroms in diesem
Stromkreis, wobei der Stromanstieg, z. B. über den Transformator, in den Stromkreis des Strahlers
induziert wird und hier wieder eine Änderung des Lichtstroms bewirkt, so daß entsprechende Schwin- 4r>
gungsvorgänge in Gang kommen.
Dieser bekannte Schwingungserzeuger dient zur Erzeugung von hohen und Höchstfrequenzen und kann
auch aufgrund der Eigenschaften und des Zusammenwirkens seiner Elemente nicht zur Erzeugung besonders
niedriger Frequenzen gebaut werden.
Ähnliches gilt für einen aus der US-Patentschrift 31 02 242 bekannten Schwingungserzeuger, bei dem ein
Strahler mit dem von ihm strahlungsmäßig beaufschlagten Lichtempfänger parallel geschaltet ist und beide y>
zusammen über einen Vorwiderstand von einer Gleichstromquelle gespeist werden. Wenn der Lichtempfänger
nicht von einem Lichtstrom beaufschlagt ist, so hat er einen großen Widerstand, und es entsteht an
ihm ein großer Spannungsabfall. Diese große Spannung, wi
die ja gleichzeitig am Strahler liegt, bewirkt dann die Aussendung eines Lichtstroms durch diesen, wobei
durch den auf den Lichtempfänger treffenden Lichtstrom dessen Widerstand absinkt und damit auch den
Spannungsabfall verringert. Dieser Abfall der auch am t>5
Strahler liegenden Spannung führt zu dessen Erlöschen, so daß sich der beschriebene Vorgang wiederholt und
das System Schwingungen erzeugt.
Auch mit diesem bekannten Schwingungserzeuger können Frequenzen unterhalb weniger Hertz nicht
erzeugt werden, weil die verwendeten Elemente zu schnell auf die jeweiligen Eingangssignale reagieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Schwingungserzeugers aus einem opto-elektronischen
Paar, das die Erzeugung elektrischer Schwingungen im Infraschallbereich, insbesondere im Bereich von
10-2bis 10 Hz gestattet
Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung besteht zur Lösung dieser Aufgabe der Halbleiterlichtempfänger
aus niederohmigem Halbleitermaterial, das hochohmige Einschlüsse aufweist, die an den
Grenzen der Einschlüsse gemäß dem Leitungstyp des Halbleitermaterials n+n- bzw. p+p-Übergänge bilden.
An sich ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 46 244 eine Schwingungserzeugende Schaltung mit
einem opto-elektronischen Paar aus einem Halbleiterlichtempfänger und einem Strahler bekannt, bei dem ein
Element mit n-leitfähiger Schicht mit angrenzender hochohmiger Schicht Verwendung findet Dieses
Element hat jedoch mit dem Strahler nichts zu tun, sondern stellt einen Halbleiterimpulsgenerator dar, der
mit dem Lichtempfänger in Reihe geschaltet ist Der bei der Schwingungserzeugung in diesem Impulsgenerator
mitwirkende Übergang zwischen hochohmiger und niederohmiger Schicht dient zur Umverteilung der
Spannung zwischen den Schichten, ähnlich wie bei den Schwingungsvorgängen bei der Ausbildung gemäß
US-Patentschrift 31 02 242 die Spannungsabfälle am Vorwiderstand und am Lichtempfänger umverteilt
werden. Dabei fließt wenn ein Spannungsimpuls gegeben wird, der Strom über die Grenzfläche des
Übergangs, während beim vorliegenden Erfindungsgegenstand die Grenzen der hochohmigen Einschlüsse
eine Rekombinationsbarriere darstellen, welche zur Vergrößerung der Zeitkonstanten des Prozesses und
damit zur Verringerung der Frequenz der erzeugten Schwingung führt
Bei der zuletzt betrachteten bekannten Ausbildung hängt die untere Grenze der erzeugbaren Frequenzen
wie bei gewöhnlichen Schwingungsschaltungen von den elektrischen Daten eines externen ÄC-Gliedes ab und
kann deswegen unter Verwendung noch praktikabler Größen der elektrischen Elemente nicht wesentlich
unter einem Hertz liegen. Auch ist die Stabilität solcher Schwingungen gering.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dient als niederohmiges Halbleitermaterial
mit Schwefel dotiertes und auf eine Temperatur unterhalb von 100° K. abgekühltes η-leitendes Galliumantimonid
und als Strahler eine Lichtquelle mit in einem Bereich von 0,2 bis 2,6 eV liegender spektraler
Zusammensetzung der Strahlung. Auf diese Weise lassen sich eine große regelbare Reaktionszeit des
Lichtempfängers und dadurch besonders niedrige Infraschällfrequenzschwingungen erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen
weiter erläutert Es zeigt
F i g. 1 das Schaltungsprinzip des Schwingungserzeugers,
Fig. 2 den Aufbau des Materials des Halbleiterlichtempfängers,
F i g. 3 ein Beispiel für den Verlauf des Widerstandes eines aus η-leitendem GaSb (S) hergestellten Halbleiterlichtempfängers
über der Zeit bei periodischer Beleuchtung desselben,
Fig.4 die an den Klemmen des Strahlers des
opto-elektronischen Paares entstehenden elektrischen Niederfrequenzimpulse.
Der betrachtete Schwingungserzeuger stellt ein opto-elektronisches Paar aus einem Lichtempfänger 1
und einem Strahler 2 dar, die miteinander über einen Rückkopplungskreis 3 elektrisch verbunden sind.
Der Lichtempfänger 1 ist aus einem niederohmigen Halbleitermaterial 4 ausgeführt, das hochohmige Einschlüsse
enthält, die je nach dem Leitungstyp des niederohciigen Halbleitermaterials 4n+n- oder p+p-Obergänge
an den Grenzen der Einschlüsse bilden. Bei einem niederohmigen η-leitenden Halbleitermaterial
bilden sich η+n-übergänge und bei p-leitendem
Halbleitermaterial p+p-Übergänge.
Die besonderen Eigenschaften eines Lichtempfängers aus einem niederohmigen, hochohmige Einschlüsse 5
enthaltenden Halbleitermaterial 4 beruhen auf folgendem:
Die hochohmigen Einschlüsse 5 können Gebiete mit einer gegenüber dem niederohmigen Halbleitermaterial
4 anderen Konzentration von Dotierungsstoff und/oder mit anderer Ionisierungsenergie darstellen. Ein Beispiel
für derartige Materialien sind feste Lösungen von Halbleiterverbindungen wie mit Schwefel dotiertes
Galliumarsenid oder Galliumphosphid mit Chlor dotiertes Kadmiumtellurit oder mit Sauerstoff dotiertes
Germanium.
Infolge einer Umverteilung von Elektronen zwischen dem niederohmigen Ha'.bleitermaterial 4 und den
hochohmigen Einschlüssen 5 in diesem entstehen an den Grenzen der Einschlüsse 5n+n-Übergänge bzw. bei
einem niederohmigen Material vom p-Leitungstyp p+p-Übergänge, die eine Kontaktpotentialdifferenz an
den Grenzen der Einschlüsse 5 erzeugen.
Die Beleuchtung eines Lichtempfängers 1 aus einem Material mit derartiger Struktur durch das Licht des
Strahlers 2 im Laufe einer Zeit At führt zur Entstehung von An Überschußelektronen im Leitungsband, was eine
praktisch augenblickliche Zunahme der Leitfähigkeit des Lichtempfängers 1 bewirkt Nach der Beendigung
der Beleuchtung erfolgt eine Wiederherstellung des Elektronengleichgewichts zwischen dem niederohmigen
Halbleitermaterial 4 und den hochohmigen Einschlüssen in diesem.
Bei der Einstellung des Gleichgewichtszustandes muß ein Teil von An Überschußelektronen die Störstellenzentren
in den Einschlüssen 5 des Lichtempfängers 1 besetzen. Da dieser Besetzungsvorgang für die Überschußelektronen
mit der Notwendigkeit verbunden ist, Potentialbarrieren der Größe φ an den Grenzen der
Einschlüsse 5 zu überwinden, wird er durch die Zeitkonstante
exp
bestimmt werden, wobei k die Boltzmannsche Konstante
und Tdie Temperatur bedeutet Der Wert φ wird als Kontaktpotentialdifferenz bezeichnet Infolgedessen
wird der durch die Elektronenkonzentration im niederohmigen Halbleitermaterial 4 bestimmte Widerstand
des Lichtempfängers 1 nach Ablauf der Zeit At nach dem Abschalten des Strahlers 2 mit der
Zeitkonstanten r ansteigen.
Der Wert r wird nur durch die Parameter des n+n-
bzw. des p+p-Übergangs bestimmt und kann entsprechend dem Wert -£ψ- d. h. der Wahl der Konzentration
und/oder dem Typ des Dotierungsstoffes und/oder der Temperatur in beliebiger Größe gewählt werden.
Die Zeit der Fotoantwort des Lichtempfängers 1 aus einem niederohmigen Halbleitermaterial 4, dasjiochoh-
mige Einschlüsse 5 enthält, die n4n- bzw. ρ+p-Übergänge
an den Grenzen der Einschlüsse 5 bilden, kann also praktisch beliebig groß gemacht werden. Unter der Zeit
der Fotoantwort wird bei den Lichtempfängem 1 mit dem erfindungsgemäßen Aufbau des Materials nicht die
ίο Zeit der augenblicklichen Zunahme der Leitfähigkeit
unter der Strahleneinwirkung, sondern die zur Erreichung des Gleichgewichtszustandes für die Leitfähigkeit
nach einer Fotoerregung benötigte Zeit verstanden. Ein Schwingungserzeuger aus einem opto-elektronischen
is Paar mit einem solchen Lichtempfänger kann also
elektrische Schwingungen praktisch beliebig niedriger Frequenzen erzeugen.
Als niederohmiges, hochohmige Einschlüsse 5 enthaltendes
Halbleitermaterial 4 wird mit Schwefel dotiertes
Cn-GaSb(S)]
gewählt Der niederohmige Teil dieses Materials ist ein
Gebiet, in dem der Schwefel Donatorniveaus mit einer
Ionisierungsenergie von 60 meV bildet und die hochohmigen Einschlüsse sind Gebiete, in denen der Schwefel
Donatorniveaus mit einer größeren Ionisierungsenergie bildet Dies hat zur Folge, daß an den Grenzen der
Gebiete 4 und 5 in n-GaSb(S) n+n-Übergänge mit einer
Zur Erzeugung von Infraschallfrequenzschwingungen muß man also den Lichtempfänger 1 aus n-GaSb(S) auf
eine solche Temperatur abkühlen, daß
>\ ist,
ir> beispielsweise auf eine Temperatur unterhalb von
100° K.
Eine Leitfähigkeitsänderung des Lichtempfängers 1 kann hervorgerufen werden durch Licht mit einer
Photonenenergie, die größer als die Ionisierungsenergie der Donatoren in dem niederohmigen Halbleitermaterial
4 für Störstellenzustände ist die mit einem nicht absoluten Extremum des Leitungsbandes (hierbei soll es
sich um einen Energieniveauabstand bis zum »eigenen« Extremum handeln) verbunden sind. Da im n-leitenden
Halbleitermaterial GaSb(S) der Störstellenzustand von Schwefel mit einer lonisationsenergie von 60 meV nicht
mit dem absoluten Extremum Γ-, des Leitungsbandes,
sondern mit einem zusätzlichen Extremum L\ des Leitungsbandes verbunden ist und der Energieniveauabstand
zwischen den Extrema 80meV beträgt, ist es notwendig, einen Strahler 2 mit einer Quantenenergie
oberhalb von 0,2 ς V zu wählen. Da aber gleichzeitig bei größeren Photonenenergien des auffallenden Lichtes
die Oberflächenabsorption des Materials zunimmt, ist die spektrale Zusammensetzung des Lichtes des
Strahlers 2 auf der Seite größerer Energien begrenzt. Beim η-leitenden Halbleitermaterial GaSb(S) beginnt
sich die Absorption in der Oberflächenschicht maßgeblich bei oberhalb von 2 eV liegenden Photonenenergien
bo bemerkbar zu machen und deshalb muß die spektrale
Zusammensetzung des auf den Empfänger 1 aus dem η-leitenden Material GaSb(S) auffallenden Lichtes beim
vorliegenden Schwingungserzeuger in einem Bereich von 0,2 bis 2 eV liegen.
Die Änderung der Leitfähigkeit des aus dem η-leitenden Halbleitermaterial GaSb(S) hergestellten
Lichtempfängers bei dessen Impulsbeleuchtung durch einen Strahler, der eine Strahlung der soektralen
Zusammensetzung in einem Bereich von 0,2 bis 2 eV erzeugt, verläuft wie folgt:
Nach der Abkühlung des Lichtempfängers 1 auf eine Temperatur von TS 100° K beginnt sein Widerstand
anzusteigen. Wenn man zum Zeitpunkt t\ (F i g. 3), wo ■>
der Widerstand des Lichtempfängers 1 dt.ii Wert Rn
erreicht, den Strahler 2 für die Zeit Δι einschaltet, so sinkt der Widerstand des Lichtempfängers 1 praktisch
augenblicklich ab und steigt dann nach dem Ausschalten des Strahlers 2 wieder an. Wenn der Widerstand des ι ο
Lichtempfängers 1 den Wert R„ wieder erreicht hat und
der Strahler 2 erneut eingeschaltet wird, wird sich der Vorgang wiederholen.
In F i g. 3, wo auf der Ordinatenachse der Widerstand R des Lichtempfängers aufgetragen ist, ist ein solcher ι Γ,
sich periodisch wiederholender Vorgang einer Widerstandszu- und -abnähme des aus dem n-leitenden
Material GaSb(S) hergestellten, auf eine Temperatur von T< 100° K abgekühlten Lichtempfängers 1 bei der
Einschaltung des Strahlers 2 mit einer Photonenenergie von 1,33 eV zu den Zeitpunkten t\, k, k usw.
wiedergegeben.
Aus der Betrachtung der F i g. 3 ist ersichtlich, daß zur
Erzeugung von elektrischen Infraschallfrequenzschwingungen der Rückkopplungskreis 3 derart ausgeführt
werden muß, daß der Strahler 2 zu dem Zeitpunkt, wo der Widerstand des Lichtempfängers 1 einen bestimmten
Wert Rn erreicht, eingeschaltet und nach Ablauf der
Zeit Δ t ausgeschaltet wird.
Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, klingt die Amplitude der
Widerstandsänderung des Lichtempfängers 1 von Impuls zu Impuls etwas ab, was sich auf die
Generatorfrequenzstabilität auswirken kann. Die Impulszeit At und die durch den Strahler 2 erzeugte
Lichtintensität werde»? daher in der Weise gewählt, daß
die Möglichkeit einer mehrfachen Wiederholbarkeit des Vorganges besteht. Entsprechend dieser Aufforderung
ist der Rückkopplungskreis 3 derart ausgeführt, daß der Strahler 2 eingeschaltet wird, wenn der Widerstand des
Lichtempfängers 1 den Wert Rn « 30 Ω für eine Zeit
von Δ t = 20 s erreicht hat.
hergestellte Leuchtdiode dar, deren Strahlungsintensität proportional dem sie durchfließenden Strom ist
dessen Wert gleich 25 mA gewählt ist.
Der Betrieb des beschriebenen Schwingungserzeugers verläuft wie folgt:
solche Temperatur, daß der Wert jj
> 1 ist, beginnt
dessen Widerstand langsam zuzunehmen, bis die Ansprechschwelle An erreicht wird, worauf der Rückkopplungskreis
3 den Strahler 2 für die Zeit Δι einschaltet. Der Widerstand des Lichtempfängers 1
nimmt augenblicklich ab und beginnt nach der Abschaltung des Strahlers 2 langsam mit einer
Zeitkonstanten von
exP tV
erneut zuzunehmen, bis der Wert Rn erreicht worden ist,
wonach sich der Vorgang wiederholt.
Die Abhängigkeit der Klemmenspannung U des Strahlers 2 von der Zeit t ist in F i g. 4 dargestellt. Zum
Zeitpunkt ii erreicht der Widerstand des Lichtempfängers
1 den Wert Rn, und der Rückkopplungskreis 3
schaltet den Strahler 2 für die Zeit
Δί = Δίι(=Δί2 = Δίι)
ein. Zu den Zeitpunkten t2, h wird der Vorgang
wiederholt. Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, weist die
Klemmenspannung des Strahlers 2 die Form von mit einer der Zeitkonstanten τ umgekehrt proportionalen
Wiederholungsfrequenz folgenden Impulsen auf.
Bei den gewählten Werten von Widerstand Rn
Lichtimpulsdauer Δ t, Lichtintensität des Strahlers 2 und
Abkühlungstemperatur T des aus dem n-leitenden Material GaSb(S) hergestellten Lichtempfängers 1
haben die erzeugten elektrischen Schwingungen eine Frequenz von ca. 10~2 Hz. Der Frequenzbereich ist
nach unten nicht begrenzt, und die Frequenz der erzeugten Signale kann praktisch beliebig klein
gehalten werden.
Claims (2)
1. Schwingungserzeuger, bestehend aus einem opto-elektronischen Paar aus einem Halbleiterlichtempfänger
und einem Strahler, welche mittels eines Rückkopplungskreises elektrisch miteinander gekoppelt
sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlichtempfänger (1) zur Erzeugung
von Infraschallfrequenzschwingungen im Bereich iu zwischen 10~2 bis 10 Hz aus niederohmigem
Halbleitermaterial besteht, das hochohmige Einschlüsse (5) aufweist, die an den Grenzen der
Einschlüsse (S) gemäß dem Leitungstyp des Halbleitermaterials n+n- bzw. p+p-Übergänge bilden.
2. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als niederohmiges
Halbleitermaterial (4) mit Schwefel dotiertes und auf etne Temperatur unterhalb von 1000IC abgekühltes
η-leitendes Galliumantimonid und als Strahler eine Lichtquelle (2) mit in einem Bereich von 0,2 bis
2,6 eV liegender spektraler Zusammensetzung der Strahlung gewählt sind.
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