DE3047188A1

DE3047188A1 - Optoelektronischer schalter

Info

Publication number: DE3047188A1
Application number: DE19803047188
Authority: DE
Inventors: Elmer H. Tokyo Hara; Hiroshi Tanashi Tokyo Kanbe
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1980-12-15
Publication date: 1981-11-19
Also published as: CA1153092A; GB2078440B; DE3047188C2; FR2482386B1; US4368385A; GB2078440A; FR2482386A1

Description

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Diese Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Schalter zur Schaltung eines elektrischen Signals unter Anwendung | von Licht als Medium oder Träger und insbesondere auf einen mit | einer Fotodiode ausgestatteten optoelektronischen Schalter. j

Im Vergleich zu anderen Schalterelementen ist ein optoelektronischer Schalter, dem die Anwendung von Licht als Träger zugrundeliegt, durch eine hohe Trennwirkung, die einem hohen Ein-Aus-Leistungsverhältnis (ca. 8OdB) entspricht, durch eine hohe Übertragungsbandbreite (ca. 3GHz),durch die Fähigkeit, sowohl analoge wie auch digitale Signale zu schalten, und, bei Anwendung in Mehrfachschalteranordnungen, durch geringes Nebensprechen gekennzeichnet.

Es sind zwar optoelektronische Schalter in verschiedenen Ausführungen bekannt, ihre Entwicklung ist aber nicht zu dem Punkt fortgeschritten» daß alle elektrischen Signale innerhalb des von Gleichstrom bis zu in dem Mikrowellenfrequenzband liegenden Wechselströmen sich erstreckenden Bereichs bei hoher Geschwindigkeit geschaltet werden können.

Zur Schaltung von Telefonleitungen, zur Verteilung von Fernsehsignalen oder zur Schaltung von Mikrowellenleitungen und digital Signalleitungen sollten optoelektronische Schalter folgende Eigenschaften aufweisen;

(1) Int leitenden Zustand ist der Signalverlust möglichst gering zu halten.

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(2) Im nichtleitenden Zustand igt der Signalleckpegel niedrig zu halten.

(3) Hohe Schaltgeschwindigkeit

(4) Sowohl im leitenden wie auch im nichtleitenden Zustand eine geringe Leistungsaufnahme.

(5) Geringes Nebensprechen zwischen nebeneinander angeordneten Signalübertragungsleitungen.

Die bisher bekannten optoelektronischen Schalter erfüllen einige aber nicht alle dieser Bedingungen.

Ein typischer optoelektronischer Schalter ist dem Aufsatz "Optoelectronic Broadband Switching Array" Electronic Letters, Vol. 14, Seiten 502 und 503, Aug. 1978 von E.H. Hara, einem Miterfinder der vorliegenden Erfindung, und R.I. MacDonald zu entnehmen.

Der in diesem Aufsatz beschriebene optoelektronische Schalter besteht aus einer Einheit mit einem Elektrischoptischumwand— lungselement wie z.B. einem LED sowie einem Optischelektrischumwandlungselement wie z.B· einer p-i-n-Fotodiode.

Wie hinlänglich bekannt, hängt bei dieser Art von optoelektronischem Schalter der Wirkungsgrad der Optischelektrischumwandlung und die Impedanz von der Größe und der Polung bzw. Polarität der der Fotodiode zugeführten Vorspannung ab. Dabei wird bei Anwendung einer·- Vorspannung- in der Vorwärtsrichtung der Wirkungsgrad der Umwandlung sowie die Impedanz der Diode gering,

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-40"

während andererseits bei Anlegung einer Vorspannung in der Rückwärtsrichtung der Wirkungsgrad der Umwandlung sich verbessert.

Meist wird ein Anschluß der Optischelektrischumwandlungseinrichtung über einen widerstand geerdet, während der andere Anschluß an eine von zwei Vorspannungsquellen entgegengesetzter Polarität über einen Übertragungsschalter angelegt wird, der als mechanischer Schalter oder Halbleiterschalter ausgelegt werden kann. Um den optoelektronischen Schalter an- bzw. in den leitenden Zustand zu schalten,wird dem Übertragungsschalter eine Vorspannung zugeführt, so daß eine umgekehrte Vorspannung der Optischelektrischumwandlungseinrichtung zugeführt wird. Um den Schalter aus- bzw. in den nichtleitenden Zustand zuschalten, wird der übertragungsschalter mit einer Vorspannungsquelle verbunden, so daß es zu einer Vorspannung in der Vorwärtsrichtung der Umwandlungseinrichtung kommt. Bei dieser Betriebsart des Übertragungsschalters wird ein dem durch die Optischelektrischumwandlungseinrichtung zur Verfügung gestellten Eingangslichtsignal entsprechendes. Ausgangssignal bei einem Verknüpfungspunkt zwischen der Umwandlungseinheit und dem Widerstand aus Entsprechung erzeugt.

Es wurde gefunden, daß das Schalten des Signals durch Umschal ten der Polarität der Vorspannung, die der Optischelektrischumwandlungseinheit zugeführt wird, zu folgenden Problemen führt.

(1) Um den optoelektronischen Schalter durch Anlegen einer Vorspannung in der Vorwärtsrichtung an die Optischelektrischum-

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Wandlungseinrichtung in den nichtleitenden Zustand zu schalten, j

ist ein Stromwert in der Größenordnung von einigen Milliampere j

bis einigen10 Milliampere benötigt. Aus diesem Grund beträgt die !

elektrische Leistungsaufnahme der Umwandlungseinheit und des Wi- · !

derstands einige Milliwatt bis einige 10 Milliwatt,so daß zum Betrieb der Optlschelektrischumwandlungseinheit eine, verhältnismäßig große Stromversorgungseinheit benötigt wird. Werden übrigens mehrere optoelektronische Schalter verwendet oder liegen sie als Teile einer integrierten Schaltung vor, so wird eine verhältnismäßig große Wärmenenge erzeugt, was für die ümwandlungseinrichtungen und die mit ihnen in Zusammenhang stehende elektronische Schaltungseinrichtung unerwünscht ist, weil ihr Wirkungsgrad

durch die Hitzeeinwirkung vermindert und ihre Standzeit verkürzt j

wird. i

(2) Wegen der Notwendigkeit, die Vorspannung umzuschalten j bzw. die Polarität zu ändern,ist die Konstruktion der Schaltung kompliziert und ist es nötig, getrennte Vorspannungsquellen zu verwenden, die verschiedene Polaritäten aufweisen, so daß für die Konstruktion, die Baugröße-des Produkts und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung ein Nachteil entsteht.

(3) Wegen der großen Abhängigkeit der Impedanz des Umwandlungselements von der Polarität der Vorspannung (d.h. niedrig in der Vorwärtsrichtung der Vorspannung und hoch in der umgekehrten Vorspannungsrichtung) läßt sich die Impedanzanpassung nicht am Ausgang des sich im nichtleitenden Zustand befindenden Schalters aufrecht erhalten.

(4) Weil der nichtleitende Zustand des optoelektronischen

1T

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! Schalters teilweise durch Überbrücken des Lastwiderstandes durch

jj die Übergangskapazität der Fotodiode bei Vorwärtsvorspannung wird das Trennwirkungsverhältnis frequenzabhängig,wobei es bei niedrigen Frequenzen abnimmt.

(5) Bei bekannter Anwendung einer p-n-oder p-i-n-Übergangfotodiode als Optischelektrischumwandlungseinrichtung bei überwechseln der Vorspannung v.on. der Vorwärts- auf die Rückwärtsrichtung wird die Schaltgeschwindigkeit durch den Ladungsspeichereffekt im übrigen begrenzt. Bei solchen Fotodioden erstreckt sich die Schaltgeschwindigkeit von mehreren Nanosekunden zu einigen Mikrosekunden,so daß solche Fotodioden nicht für Anwendungen in Frage kommen, wo eine hohe Schaltgeschwindigkeit benötigt wird. Zur Lösung dieses Problems - zum Zweck der Erzielung einer Abnahme im Ladungsspeichereffekt - ist vorgeschlagen worden, Gold in einer Siliziomfotodiode einzudiffundieren, was jedoch nicht nur zu Schwierigkeiten bei. der Herstellung der Fotodiode sondern auch zu. einer Abnahme des Wirkungsgrades bei der Optischelektrisc umwandlung führt. Im übrigen kann man mit dieser Methode die oben genannten Nachteile (1), (2) und (3) nicht überwinden.

Wegen dieser Nachteile ist das Anwendungsfeld bekannter opto· elektronischer Schalter auf das Schalten in Schaltungen, wo die Schaltgeschwindigkeit nicht ausschlaggebend ist, begrenzt.

Aus diesen Gründen liegt der vorliegenden Erfindung als Hauptziel die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optoelektronischen Schalter anzugeben.

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Gemäß einer noch weiteren Aufgabe soll die Erfindung einen optoelektronischen Schalter mit einer Leistungsaufnahme angeben,die niedriger als die der bekannten Schalter ist. Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist einen optoelektronischen Schalter anzugeben» der bei höheren Geschwindigkeiten betreibbar ist.

Gemäß einem noch weiteren Ziel bzw. einer weiteren Aufgabe soll ein neuartiger optoelektronischer Schalter angegeben werden, der zu einer Vereinfachung von elektronischen Peripherieschaltungen führt und der sich integrieren läßt bzw. als Teil einer integrierten Schaltung verwendet werden kann.

ι Gemäß einem noch weiteren Ziel der Erfindung soll ein ver- ι

I besserter optoelektronischer Schalter während einer längeren !

Standzeit stabile Betriebseigenschaften aufweisen. ι

Der Erfindung liegt weiterhin das Ziel zugrunde,einen opto- ; elektronischen Schalter anzugeben, der in bezug auf eine mit ihm verbundene Einrichtung eine leichte Impedanzanpassung zuläßt. j

Gemäß der Erfindung sind diese Aufgaben bzw. Ziele dadurch zu erreichen, daß· erfindungsgemäß ein optoelektronischer Schalter" .- ' durch eine Lichtquelleneinrichtung zur Erzeugung eines zu schaltenden, durch ein elektrisches Signal-moduliertes Lichtsignals; durch eine Optischelektrischumwandlungseinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie das durch die Lichtquelleneinrichtung ausgestrahlte Lichtsignal empfängt sowie durch eint Vorspannungsquelleneinrichtung, die dazu dient, der Optisch-

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elektrischumwandlungseinrichtung eine umgekehrte Vorspannung zuzuführen, um die Vorrichtung in den leitenden bzw. nichtleitenden Zustand zu überführen und wobei die Optischelelektrischumwandlungseinrichtung eine aus einem ersten mit einem p-n-übergang ausgestatteten Halbleiterelement und aus einem zweiten einen kleineren Bandabstand als das erste Halbleiterelement aufweisenden, mit der ersten Halbleiterelement unter Bildung eines HeteroÜbergangs zusammengeschlossenen zweiten Halbleiterelement bestehende Fotodioden umfaßt gekennzeichnet ist.

Die Fotodiode kann eine Lawinendiode sein. Das erste Halbleiterelement besteht aus einem III - V-Verbindungshalbleiter oder aus Si, während das zweite Halbleiterelement aus einem III V-Verbindungshalbleiter oder Ge besteht.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale deir vorliegenden Erfindung sind der nun folgenden Beschreibung einige Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fotodiodeneinrichtung, die als optoelektronischer Schalter verwendet wird?

Figuren 2A und 2B Kurven ~ des Bandaufbaus zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Fotodiode t

Figur 3 Strom-Spannungskurven der Fotodiode gemäß Figure 1;

Figur 4 das Verhältnis zwischen n-InP Fremdstoffkonzentration und der Verarmungsschichtbreite der Fotodiode gemäß Figur 1 darstellende Kurven;

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Figur 5 eine das Verhältnis zwischen der Energiesperre Δ." E und dem Trennverhältnis in dB darstellende Kurve;

Figur 6 ein Schaltungsschema einer Ausführungsform des erfindungsg-,anäßen optoelektronischen Schalters unter Anwendung des Schalters gemäß Figur 1;

Figur 7 ein Schaltungsschema einer abgeänderten Ausfüh— rungsform des optoelektronischen Schalters gemäß der Erfindung;

Figuren 8 und 9 Schaltungsschemata -, die abgeänderte Ausführungsformen der optoelektronischen Schalter darstellen;

Figuren 10 bis 12 Kurven der Meßwerte, die bei Versuche an einen optoelektronischen erfindungsgemäßen Schalter entstanden; und

Figuren 13A mit 13D eine Ausführungsform der Herstellung einer bei dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Schalter zu verwendenden Fotodiode.

Eine erfindungsgemäße Fotodiode (Figur 1) umfaßt einen Halbleiter 7 eines Leitfähigkeitstyps; und einen gleichartigen oder verschiedenartigen.. Halbleiter 8 des entgegengesetzten Leitfähigkeits typs, der auf dem Halbleiter 7 unter Bildung eines p-n-Übergangs zwischen den Halbleitern angeordnet ist. Diese Halbleiter bilden das erste· Halbleiterelement. Am Halbleiter 8 ist ein zweiter Halbleiter· 10 vorhanden, der denselben Leitfähigkeitstyps wie der Halbleiter 8 besitzt. Er hat aber einen schmäleren Bandabstand als der Bandabstand des Halbleiters 8. Die Grenze zwischen dem Halbleitern 8 und 10 bildet einen HeteroÜbergang 11. Die Elektroden 10 und 13 sind an den Oberflächen der Halbleiter 10 bzw. 7

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angeordnet, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen. Das anfallende Licht wird auf eine oder beide Oberflächen der Halbleiter 10 und 7 (s. Bezugszeichen 2 und 2' in Figur 1) gerichtet. Im wesentlichen die gleiche Wirkung eintritt in beiden Fortpflanzungsrichtungen des Lichtes.

Um die Fotodiode als optoelektronischen Schalter zu betreiben wird dem Anschluß 14, der mit der Elektrode 12 verbunden ist, eine Spannung A mit einem gewünschtem Wert zwischen V1 and V2 zugeführt. Dabei wird der Wert der Spannung V1 so ausgewählt, daß er bei OV liegen würde oder die Wirkung einer Rückwärtsvorspan- · nung haben würde, die in bezug auf die Fotodiode 16 unter einem bestimmten Wert liegt, während der Spannungswert V2 so ausgewählt wird, daß er als eine Rückwärtsvorspannung wirken würde, die oberhalb einem bestimmten Wert in bezug auf die Fotodiode 16 liegt. Die Wellenlänge des anfallenden Lichtes 2 oder 2' wird so ausgewählt, daß die Lichtenergie nicht durch den Halbleiter 8 ab-j sorbiert wird, der einem breiten Bandabstand besitzt. Dagegen wird die Lichtenergie durch den einen schmalen Bandabstand aufweisenden Halbleiter 10 absorbiert.

In. einer mit Rückwärtsvorspannung betriebenen Diode bereitet sich bekanntlich eine Verarmungsschicht von dem p-n-übergang über eine Breite aus, die der Vorspannung entspricht. Die Spannung V1 wird bei einem genügend niedrigen Spannungswert festgelegt, der,wie oben erwähnt,OV mit einschließt, um zu verhindern, daß die Verarmungsschicht den HeteroÜbergang 11 erreicht, während —-der Spannungswert V2 so groß gewählt ist, daß die Verarmungsschicht den HeteroÜbergang erreichen oder sich in den Halbeiter it>

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ausbreiten kann. Sind die Spannungen V1 und V2 auf dieser Grundlage festgelegt, so wird am Ausgangsanschluß 15 beim Anlegen der Spannung V1 kein Signal B erscheinen. Ein Ausgangssignal B läßt sich nur dann erzeugen, wenn die Spannung V2 angelegt wird. In anderen Worten: Es ist möglich, das dem anfallenden optischen Signal entsprechende Signal B in Abhängigkeit von der Größe der zugeführten Vorspannung ein- und auszuschalten.

Es folgt nun eine nähere Beschreibung dieser Wirkungsweise der Fotodiode 16. Der Energiebandaufbau der Fotodiode 16 der Figur 1 ist in Figur 2A abgebildet, bei der das" Bezugszeichen Kante des Leitungsbandes bezeichnet. 13 bezeichnet die Kante des Wertigkeitsbandes und 19 das Fermi-Niveau. Der p-n-übergang 9 wird zwischen Halbleitern 7 und 8 gebildet, während der HeteroÜbergang 11 zwischen Halbleitern 8 und 10 gebildet wird. Der Energiebandaufbau gemäß Figur 2A setzt voraus, daß der Halbleiter 7 die p-Leitfähigkeit und die Halbleiter 8 und 10 die η-Leitfähigkeit besitzen. Aus dieser Beschreibung geht hervor, daß die p- und n-Leitfähigkeitstypen umgekehrt werden können, so daß die Begriffe Löcher und Elektronen auch umzukehren wären.

Besitzt das anfallende Licht eine solche Wellenlänge, daß es nicht durch den Halbleiter 8 sondern durch den Halbleiter absorbiert wird, so wird die Energie des auf die Fotodiode 16 gerichteten Lichtes nur durch den Halbleiter 10 unter Bildung von Löchern 20 absorbiert. Ist die Vorspannung V1 genügend gering, so erreicht die Verarmungsschicht im Halbleiter 8 den HeteroÜbergang 11 nicht, so daß die Löcher 20 nicht imstande sind, durch die am HeteroÜbergang 11 gebildete Energiesperre durchzudringen, mit dem Ergebnis, daß das anfallende Licht nicht

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>l zu einem Fließen von Strom von der Elektrode 12 in die Elektrode

': 13 führt und in anderen Worten der Schalter in dem nichtleiten- ;! den Zustand auch dann bleibt, wenn die Fotodiode 16 mit Licht bestrahlt wird.

Bei Erhöhung der Vorspannung, so daß die Verarmungsschicht sich ausbreitet und den HeteroÜbergang 11 erreicht wird der Aufbau des Energiebandes die Form gemäß Figur 2B annehmen, wodurch die Löcher 20 über die Energiesperre 21 hinweg in den Halbleiter- 8 hineinfließen können. Aus diesem Grund kann ein Ausgangsstrom erzeugt werden, dessen Größe dem anfallenden Lichtsignal entspricht, so daß der Schalter aus- bzw.■in den leitenden Zustand geschaltet wird.

Es folgt nun eine Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung. Der erste Halbleiter mit einem p-n-übergang 9 (d.h. j beide Halbleiter 7 und 8) kann- den Verbindungshalbleiter-InP darstellen. Der zweite Halbleiter 10 kann einen III - V-Verbindungshalbleiter wie z.B. In_xGa, As₁ P wo χ = 0,53 und y = 0 (d.h. In_ „Ga. 47^As <^^as unten als InGaAs der Kürze halber bezeichnet wird) darstellen.

Die Meßwerte einer Versuchsfotodiode 16 sind als Kurve in Figur 3 dargestellt, bei der die waagrechte Achse die umge- -kehrte Vorspannung bzw. Rückwärtsvorspannung Vi und die senkrechte Achse den Fotostrom I_p und den Dunkelstrom I_ darstellen. In diesem Fall besaß das anfallende Licht eine Wellenlänge λ. = 1,15 μπι. Diese Fotodiode würde in einem kontinuierlichen Flüssigphaseefcqefcaxie-Wachstumsverfahren erzeugt. Die Dicke bzw. Stärke des ρ -Typ-InP des Halbleisters 7 beträgt

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200 μΐη, während die Trägerkonzentration ca. 10 cm beträgt. Die Stärke des n-Typ-InP (Halbleiter 8) und des n-Typ-InGaAs (Halbleiter 10) beträgt in beiden Fällen 2 μ m bei einer Trägerkonzentration in beiden Fällen von 10 cm~ . Beim Anlegen (Fi- l

gur 3) einer Vorspannung Vi mit dem Viert V1, die innerhalb eines ι Bereiches von OV bis ca. 15V liegt, fließt, kein Fotostrom I ,wobei!

^P i der durch die Fotodiode fließende Strom nur den Dunkelstrom I_p | umfaßt. Liegt aber die Vorspannung Vi in einem Bereich (V2) zwischen 20 und 80 V so fließt der Fotostrom I_p gemäß Figur 3, so daß die Fotodiode jetzt in angeschaltetem Zustand ist und auf das anfallende Licht anspricht.

Die bisherige Beschreibung beschränkt sich zwar auf den

Schaltvorgang, der optoelektronische Schalter läßt sich aber j

j ebenfalls als einstellbares Dämpfungsglied verwenden, das eine j

Richtungswirkung besitzt, da bei stufenloser bzw. .kontinuier- i

i licher Änderung der Rückwärtsvorspannung es zu einer kontinuier- i

liehen Änderung in der Größe des Ausgangssignals kommt (Figur 3).\

Aus dieser Beschreibung geht klar hervor, daß die Zustände EIN und AUS der Fotodiode davon abhängen, ob die Verarmungsschicht den HeteroÜbergang 11 erreicht oder nicht erreicht, d.h.: Die EIN— und AUS-Zustände hängen davon ab, ob die durch das Licht geschaffenen Löcher 20 die Energiesperre 21 überwinden oder nicht. Aus diesem Grund ist die zum Abschalten benötigte Vorspannung VI eine geringe umgekehrte Vorspannung, die den Wert OV mit einschließt, und die es nicht zuläßt, daß die Verarmungsschicht den HeteroÜbergang erreicht. Andererseits ist die zum Anschalten des Schalters benötigte Vorspannung V2 eine umgekehrte Vorspannung, die ausreicht, um der Verarmungsschicht das Erreichen des HeteroÜbergangs 11 zu ermöglichen. In anderen

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Worten kann man sagen: Der Schaltvorgang kann durch eine Spannung einschließlich OV gesteuert werden, die die Fotodiode in den Rückwärtsvorspannungszustand oder in den Nullvorspannungszustand versetzt. Im Gegensatz zu bekannten optoelektronischen Schaltern ist keine Vorwärtsvorspannung benötigt, um den Schalter zu betätigen.

Um die physikalische Grundlage zur Auslegung der Fotodioden einrichtung zu erklären, folgt nun eine Beschreibung des Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung der Halbleiter und der Vorspannungen V1 und V2.

Figur 4 stellt das Verhältnis zwischen der Fremdstoffkonzentration im n-Typ-InP-Halbleiter und der Verariaungsschichtbreite dar, wenn die Fotodiode im Bereich der Lawinendurchbruchspannung vorgespannt wird. Die Größe E stellt die elektrische Feldstärke ijam HeteroÜbergang dar. Ist z.B. die elektrische Feldstärke E null und ist die Fremeltoffkonzentration des n-InP gleich 1 χ

16 —3
10 cm (siehe waagrechte Achse), so sieht man anhand der linken senkrechten Achse, daß die Breite der Verarmungsschicht 3,3 μ m beträgt.

Um der Verarmungsschicht das überqueren des HeteroÜbergangs zu ermöglichen und um den Schalter anzuschalten, ist eine Stelle bzw. ein Wert erwünscht wo die Größe von E etwa 1 χ 10 V/cm entspricht. Dieser Wert wird unter entsprechender Berücksichtigung einer Zunahme im Dunkelstrom festgelegt, die stattfindet, wenn größere Ε-Werte gewählt sind. In diesem Fall bei gegebener Brennstoffkonzentration von 1 χ 10 can" beträgt die Stärke der Verarmungsschicht 2,5 μ,πι. Der Wert auf der senkrechten Achse

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auf der rechten Seite der Figur 4 ist der Minimalwert der Vorspannung V2 zur Anschaltung des Schalters eingetragen. Bei Zugrundelegung einer n-Typ-InP-Schicht mit einer Stärke von 2,5 μ, m. entspricht die Anschalt spannung (V2) für den Schalter 47 V gemäß Figur 4. Deshalb läßt die Fotodiode sich aus-und einschal-

! ten wenn man die Vorspannungen V1 und V2 so einstellt, daß ι

0 Svi < 47(V) , 47(V) < V2

Das Trennverhältnis (Ein-Aus-Leistungsverhältnis) I wird durch die Größe E der Energiesperre (siehe Figuren 2A und 2B) feststellen, die am HeteroÜbergang 11 zustandekommt. Der Wert entspricht näherungsweise

I_r = exp (- ΔΕ/kT)
j wo k die Boltmann'sehe Konstante und T die absolute Temperatur

! bezeichnet. Die Energiesperre E entspricht der Differenz gemäß einer ersten Näherung zwischen den zwei Bandabständen der zwei den HeteroÜbergang bildenden Halbleiter. Bestehen die HaIb-

'' leiter aus InP bzw. In„ _c,Ga_n _An ergibt sich

_Q 5
ΔΕ « O,53eV.

Beim in Ga. As- P läßt sich der Bandabstand dadurch ändern, daß man die Werte χ und y ändert, so daß die Energiesperre Δε geändert wird.

Figur 5 zeigt das Verhältnis zwischen der Energiesperre Δ Ε und dem, Trennverhältnis I ♦ Anhand dieser Figur läßt sich die benötigte Zusammensetzung des InGaAsP für einen gewünschten Wert des Trennverhältnisses feststellen.

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Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Schalters unter Anwendung der beschriebenen Fotodiode 16 ist in Figur 6 gezeigt und umfaßt eine LED oder einen Halbleiterlaser 22, der über die Vorspannungsschaltung 24 mit Vorspannung 23 versorgt wird, wobei ein Signal S geschaltet und ein moduliertes Lichtsignal 2 ausgestrahlt wird. Diese Elemente bilden eine Lichtquelle 30. Das durch die Lichtquelle 30 erzeugte Lichtsignal·2 wird durch die Fotodiode 16 empfangen, die mit einer Rückwärtsspannung V2 oder VI von den Quellen 4 bzw. unter Anwendung des tlbertragungs schalters 5, der durch ein äußeres Steuersignal betätigt wird, selektiv versorgt wird. Wie oben erwähnt, schließt die Spannung V1 den Wert 0 V mit ein. Die Kathodenelektrode der Fotodiode 16 wird über einen Widerstand 6 geerdet, wobei das Ausgangssignal an deren Verknüpfungspunkt abgezapft und dann eine Signalverarbeitungsschaltung 25 zugeleitet wird. Die in dieser Figur gezeigte Vorspannungsschaltung umfaßt die Vorspannungsquellen 4 und 4", wobei der Übertragungsschalter 5, wie an sich bekannt., als mechanischer oder elektromechanischer Schalter oder als elektronischer bzw. Halbleiterschalter ausgebildet sein kann. In diesem Fall steht eine weitere Elektrode der Fotodiode 16 mit der elektronischen Schaltung in Verbindung. Die oben genannten elektronischen Schaltungen umfassen Impuls-Typ-Schaltungen, die die Spannungen V1 und V2 während einer gewünschten Zeit anlegen.

Eine Variante des optoelektronischen Schalters gemäß der Erfindung unter Anwendung der beschriebenen Fotodiode 16 ist in Figur 7 gezeigt. Wie vorher der Fall war, kann der Wert der der Fotodiode 16 zum Abschalten des optoelektronischen Schalters zugeführten Vorspannung null sein. Aus diesem Grund kann, um den Schalter nichtleitend zu schalten, die zugeführte Vorspannung abeschaltet werden, indem man den

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■j übertragungsschalter 5 (Figur 7) abschaltet. Aus diesem Grund "I entspricht diese Schaltung der Schaltung gemäß Figur 6 mit Aus-';: nähme der Wirkungsweise des übertragungsschalters 5.

Es ist zu bemerken, daß die Verbindung der Fotodiode 16 (Figur 6 und Figur 7) umgepolt werden kann, so daß die Anode mit dem Widerstand 6 verbunden ist. Bei einer solchen Anordnung sollen die Vorspannungsquellen 4 und. 4' ebenfalls umgepolt werden, um die Zufuhr einer umgekehrten Vorspannung, die 0 V mit einschließt, an die Fotodiode 16 aufrecht zu erhalten.

Figur 8 zeigt eine Einzelheit des optoelektronischen Schalters einschließlich des Übertragungsschalterkreises 5, wobei, um die Fotodiode 16 abzuschalten, die Vorspannung durch einen Transistor 28 abgeschaltet und zum Anschalten der Transistor durch einen Gatterimpuls 29 leitend geschaltet wird, wodurch eine umgekehrte Vorspannung der Fotodiode 16 zugeführt wird.

Die Figur 9 entspricht der Figur 7, bei der, um die Fotodiode 16 anzuschalten, ein Transistor 28* durch einen Gatterimpuls 29" angeschaltet wird, um die Vorspannung zu erhöhen und der Fotodiode 16 eine umgekehrte Vorspannung zuzuführen. Um die Fotodiode abzuschalten, wird der Transistor 28' nichtleitend geschaltet.

Bei der in Figuren 6 bis 9 beschriebenen Anordnung unter Anwendung der optoelektronischen Schalter ist die Leistungsaufnahme der Fotodiode 16 in abgeschaltetem Zustand vernachläßigbar klein, weil die Versorgung der Fotodiode mit einer vorwärts gerichteten Vorspannung unnötig ist. Aus diesem Grund, weil eine

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•Vorspann ing

Vorspannungsquelle einer Polarität angewandt werden kann, vereinfacht sich die Konstruktion der"Schaltung. Im übrigen ist es nicht nötig, die Vorspannung für die Fotodiode zwischen vorwärts gerichteten und umgekehrten Spannungspegeln umzuschalten, so daß 6in schnelles Schalten möglich ist, weil der Ladungsspeichereffekt bei vorwärts gerichteter Vorspannung nicht in Erscheinung tritt. Die Schaltzeit wird in erster Linie durch die Übergangskapazität der Fotodiode 16 bestimmt,die bei nullbei ungefähr 4 pF liegt, so daß Schaltzeiten unter 10 Nanosekunden möglich sein dürften.

Um die.Übergangskapazität und aus diesem Grund auch die Schaltzeit zu verkleinern, läßt sich, falls erwünscht, die Aus-Zustand Rückwärtsvorspannung V1 auf einen Pegel erhöhen, der knapp unter dem Pegel liegt, bei dem die Verarmungsschicht in den HeteroÜbergang 11 der Fotodiode 16 hineindringt. Auch wenn dies geschieht, wird der Aus-Zustand aufrecht erhalten, wobei aber das Trennverhältnis etwas vergrößert wird, weil die Energiesperre 21 der Fotodiode 16 verkleinert wird und es zuläßt, daß einige Löcher 20 über die Sperre hinwegfließen. Die Größe der Vorspannung VT wird aus diesem Grund mit einem Wert festgelegt, um einen gewünschten minimalen Pegel des Trennverhältnisses ·»& · haben* während gleichzeitig die Schaltzeit möglichst verkürzt wird. Die Größe der Vorspannung V1 läßt sich durch Einstellung der Werte der Bauteile und durch Änderung der Schaltung 5 für die Vorspannung unter Anwendung bekannter Prinzipien ändern.

Die Figuren 10 bis 12 zeigen die Versuchswerte eigener Fotodioden. Figur 10 zeigt das Verhältnis zwischen dem Trennverhältnis und der Signalfrequenz S, die an der Ausführungsform

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gemäß Figur 6 gemessen wurde. Ein Spektrumanalysator, der der i Signalverarbeitungsschaltung 25 entspricht, wurde zur Messung herangezogen.

■j Die verwendete Fotodiode bestand aus Indiumphosphid InP

i j

'I sowie Indiumgalliumarsenid In roGa. ..As. Den Ergebnissen der

! O,-DOO,τ/

. Figur 10 entnimmt man, daß ein einen Wert von 80 dB überstei- ^: gendes Trennverhältnis für Frequenzen bis 250 MHz und höhere ; Frequenzen halten wurde.

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t

I Figur 11 zeigt ein Ileßergebnis in bezug auf die Änderung ! der Zeit im Schaltvorgang, wo die Vorspannung für die Fotodiode ■I von O V auf V2 geändert wurde, wobei das anfallende Licht nicht ;j moduliert wurde. Die obere Wellenform zeigt das Vorspannungs-¹S gattersignal, das zugeführt wurde, während die untere Wellenj form dem Ausgangssignal entspricht. Die Ergebnisse zeigen, daß ; die Schalteinschwingvorgänge,die durch das Gattersignal verursacht werden, innerhalb von ungefähr 50 Nanosekunden abklingen.

Figur 12 zeigt das Ergebnis bei dem gattungsgemäßen Schalten, eines 18 M Bit/s Digitalimpulssignals, das die Rolle des elektrischen Signals S spielte. Die Ergebnisse gemäß Figuren 11 und 12 wurden mit einem Oszilloskop erhalten,, das der SignalVerarbeitungsschaltung 25 entspricht.

For den Elektronenfachmann ist ohne weiteres einzusehen, daß Schaltgeschwindigkeiten von über 10 Nanosekunden erreicht werden können.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fotodiode wird nun anhand der Figuren 13A bis 13D erläutert.

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Die Figur 13A zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterelementes,! das durch den nacheinanderfolgenden Aufbau einer Schicht 8 aus \

n-Inp und einer Schicht 10 aus InGaAs auf einem Substrat 7 aus P -InP unter Anwendung der bekannten FlussigphaseeXpfcaxiemethode ί

! aufgebaut wurde. Die Dicke von n-InP sowie n-InGaAs war 2,5 μ m l

bzw. 2,0 μ, ra. Dabei betragen die η-Typ Fremdstoffkonzentrationen

16 — 3
dieser Schichten 1 χ 10 cm . Wie früher hervorgehoben wurde, kann das Verhältnis zwischen der gewählten Dicke und der Fremstof!konzentration für die n-InP-Schicht anhand der Figur 4 ,

ermittelt werden. Danach wird, ein Fotolackfilm an die Oberfläche der Schicht 10 aus n-InGaAs unter Anwendung einer herkömmlichen Technik aufgebracht. Danach wird die fotoempfindliche Fotolackschicht durch eine geeignete Maske UV-Strahlung ausge- I

setzt und danach teilweise entwickelt, um den lichtempfind- !

liehen Fotolack 26 gemäß Figur 13B teilweise zu belassen. Danach j

wird eine Ätzflüssigkeit, die eine bekannte Mischung aus H₀O, H₀SO₄

und H-O-- darstellt, angewandt, um· einen Teil, der Schicht 1O wegzuj· ätzen, die aus n-InGaAs besteht, während ein aus einer bekannten I Mischung von Brom und Methylalkohol bestehendes Ätzmittel dazu benutzt wird, einen Teil der aus n-InP bestehenden Schicht 8 und des. aus p⁺-InP bestehenden Substrats 7 abzutragen. Sodann ί wird der Fotolack von der n-InGaAs-Schicht 10 entfernt, um einen Mesaaufbau zu ergeben, dessen Querschnitt der Figur 13C zu entnehmen ist. Dieser Mesaaufbau besitzt einen Durchmesser von ca. 140 αm.

Letztlich wird eine Au-Zn-Legierung auf das aus P⁺-InP bestehende Substrat 7 und eine Au-Ge-Ni-Legierung auf die n-InGaAs-Schicht 10 aufgedampft. Danach wird die Anordnung bei ca. 400⁰C ca. 5 Minuten lange einer Legierungsbehandlung unterworfen, um die Elektroden 12 und 13 zu bilden. Figur 13D zeigt

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, einen Querschnitt der vollständigen Fotodiode.

'.^; Obwohl eine Mesafotodiode beschrieben worden ist, ist es ohne :: weiteres möglich,s ie als Planar anordnung herzustellen, wie dies ti in der Halbleitertechnik bekannt ist. Ein solcher Aufbau kann

I.

eine sogenannte"Kappen"-Schicht aufweisen, um den Wirkungsgrad der optisch-elektrisch-Umwandlung zu verbessern, d.h. es käme '.. eine einen großen ßandabstand aufweisende Halbleiterschicht in '■'■■ Frage. Es ist <±>enf alls zu berücksichtigen, daß das Kristall-■ Kr-xs.tallwachst.um; sich nicht auf die Flüssigphasenepitaxie— j Wachstumsmethode beschränkt und daß das Dampfphasenepitaxiever-,! fahren oder ein Molekularstrahlepitaxieverfahren ebenfalls ;! anwendbar ist.; Die einzige Bedingung ist, daß der erste bzw. :! der zweite Halbleiter mit einer relativen Größe der Bandabi
j

j stände gebildet wird. ., die die Bedingungen gemäß Figuren 2A und

^! 2B erfüllen.

,1

'j Aus Gründen der Einfachheit ist eine aus InP und InGaAs

;i

■\ bestehende Fotodiode beschrieben worden, obwohl es klar sein

^:i -

! dürfte, daß andere Halbleiter als die. beschriebenen, - - ■ . in Frage kommen., , Es folgen nun nähere Einzelheiten über . Weiterbildungen der Erfindung.

A. Der erste, einen p-n-Ubergang bildende Halbleiter besteht aus Si während der zweite Halbleiter einen kleineren Bandabstand als der erste Halbleiter besitzt, mit dem er einen HeteroÜbergang bildet. Der zweite Halbleiter besteht aus Ge,

¹V³I-X^I-Y V ^Alx^Ga1-/^s1-y^Sby' ^Inx^Ga1-x^As1-y^Sby' ^ode'^r. ^(Alx^Ga1-In₁ Sb, wo O^x ^ 1 und 0.^ y ^ 1.

27'

130047/04

B. Der einen p-n-übergang aufweisende erste Halbleiter besteht aus Al Ga, _xAs, Sb , In Ga₁ As₁ Sb , In Ga, As, E oder (Al Ga₁ ) In₁ Sb, während der zweite Halbleiter, der

χ ι-x y i-y ^

ij e-inen kleineren Bandabstand als der erste Halbleiter besitzt, • mit dem er einen HeteroÜbergang bildet, aus Al ,Ga₁ ,As, ,Sb ,; χι—χ ι—y y

^rnx'^Ga1-x'^As1-y'^SV<· ^Inx'^Ga1-x'^As1-y'^Py ^{oder (Al}x'^Ga1-x' ⁾y'' ,Sb, besteht, wo O ί χ S 1, O ^ y ^ 1, 0

und O- S"

C. Auf der selben Basis besteht der erste Halbleiter aus

AIP oder GaP während der zweite Halbleiter aus Si besteht, weil die Gitteranpassung eher möglich ist und das Herstellen des Elementes erleichtert wird. Bei Anwendung einer solchen Fotodiode Ij bei einem optoelektronischen Schalter läßt sich ein großes Trennverhältnis erzielen, weil die Bandabstanddifferenz einen großen Wert hat.

D. Auf ähnliche Weise besteht der erste Halbleiter aus AlAs oder GaAs während der zweite Halbleiter aus' Ge, das eine gute Gitteranpassung in bezug auf den Werkstoff des ersten Halbleiters gewährleistet, so daß die Herstellung der Fotodiode erleichtert wird.

E. In der selben Weise besteht der erste Halbleiter aus

AlGa₁ „As., Sb während der zweite Halbleiter aus Al ,Ga₁ , ι —χ ι —y y χι —χ

As,-Sb , besteht, . das _:-~ die gleiche Gitter konstante wie der erste Halbleiter besitzt obwohl der Bandabstand kleiner ist. Insbesondere dann, wenn das erste Halbleiterelement aus Al_x,Ga_1-x,Sb (d.h. y/¹ = 1) oder GaSb (d.h. x¹ = 0, y¹ = 1) oder InAs besteht, w±rdf das·. Kristallwachstum erleichtert.

tNSPECTfED

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.; Besitzt die Fotodiode eine Lawinenmultiplikationseigen- : schaft, so läßt sich das Trennverhältnis sowie das Störspannungsverhalten verbessern, was bekanntlich zu besseren Schalteigen-, schäften führt.

Wie oben erläutert, kann mit dem erfindungsgemäßen opto-

elektronischen Schalter ein elektrisches Signal bei hoher Ge-

j schwindigkeit und bei hohem Trennverhältnis dadurch geschaltet werden, daß man den Pegel der der Fotodiode zugeführten Rückwärtsvorspannung ändert. Aus dem Ergebnis eines Vorversuchs

■ j geht hervor, daß es möglich ist, ein Hochfrequenz signal vom über 500 MHz innerhalb einer Schaltzeit von 50 Nanosekunden zu schalten und daß das Trennverhältnis des Signals zwischen dem ausgeschalteten und dem angeschalteten Zustand besser als 80 dB ist.

.1 Unter Berücksichtigung der Modulationseigenschaft der Lichtquelle und der Hochfrequenzeigenschaft der Fotodiode wird es möglich, elektrische Signale zwischen Gleichstrom und einer hohen Frequenz von über 1 GHz zu schalten. Weil im übrigen die Schaltgeschwindigkeit in erster Linie vari der·- Übergangskapazität der Fotodiode, ist leicht einzusehen, daß die Schaltzeit auf einen Wert unter 10 Nanosekunden vermindert werden kann._ Es ist ebenfalls möglich, Hochgeschwindigkeitsdigitalsignale zu schalten, weil die Basisbandübertragungsbandbreite hoch liegt (über 500 MHz).

Wie oben erläutert, sieht die vorliegende Erfindung eine Fotodiode vor, die einer rtxedri ge Leistungsaufnahme. äufwei,st_r die lediglich einer einfachen zugehörigen Schaltungsanordnung bedarf, und die bei hohen Geschwindigkeiten -geschaitiefc werden kann. Sie kann in allen Fällen als ein Schaltungselement hoher Impedanz

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ί betrieben werden, weil sie immer einer umgekehrten Vorspannung ¹ oder OV-Vorspannung unterliegt. Es ist dann möglich, einen opto-

elektronischen Schalter aufzubauen, der ohne weiteres für eine Impedanzanpassung sorgt und der ein hohes Signaltrennverhältnis besitzt, das mit den Werten der bekannten Anordnungen zu vergleichen ist oder sie sogar übertrifft.

Infolgedessen eignet sich der optoelektronische Schalter der Erfindung für verschiedene Anwendungen, für die bekannte optoelektronische Schalter nicht geeignet waren. Insbesondere wird es wegen der niedrigen Leistungsaufnahme möglich, den optoelektronischen Schalter zur Herstellung einer Schalteranordnung (array) einzusetzen, wie dieser E.H. Hara und R.I. MacDonald als Teil einer LSI in Vorschlag gebracht haben, so daß auch bei kompliziertem Schalteraufbau die Baugröße verkleinert werden kann und aus diesem Grund die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit erhöht.

Es ist hervorzuheben, daß wegen der Möglichkeit des Betreibens bei einer hohen Geschwindigkeit in' der Größenordnung einer Nanosekunde der optoelektronische Schalter sich für das Hochgeschwindigkeitsschalten von Mikrowellenleitungen, zum Schalten von ZF-Signalen, die Millimeterwellen entsprechen, zum Schalten von Digitalleitungen, in Telefonämtern, zum Schalten von Signalen in einem ZeitmultiplexfcjaB^sjsystem (TDMA) , zur Satellitenübertragung und zum Schalten von Mikrowellensignalen, ift verschiedenen Phasen, sowie.-· ■. ■ in Phasenanordnungradarsystemeii (phased array radars) angewandt werden kann.

30.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Optoelektronischer Schalter

Ansprüche

u) Optoelektronischer Schalter gekennzeichnet durch eine Lichtquelleneinrichtung zur Erzeugung eines zu schaltenden, durch ein elektrisches Signal moduliertes Lichtsignals; durch eine Qptischelektrischumwandlungseinrichtung, die so angeordnet ist, daß s-ie das durch die Lichtquelleneinrichtung ausgestrahlte Lichtsignal empfängt, s,owie durch eine Vorspannungsquelleneinrichtung, die dazu dient, der Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine umgekehrte Vorspannung zuzuführen, um die Vorrichtung in den leitenden bzw. nichtleitenden Zustand zu überführen und wobei die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine aus einem ersten mit einem p-n-tibergang ausgestatteten Halbleiterelement und aus einem zweiten einen kleineren Bandabstand als das erste Halbleiterelement aufweisenden, mit dem ersten Halbleiterelement unter Bildung eines HeteroÜbergangs zusammengeschlossenen zweiten Halbleiterelement bestehende Fotadi- ι ode umfaßt.
2 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch ge- j kennzeichnet daß die Vorspannungsquellenexnrichtung mindestens \ eine Vorspannungsquelie und eine zwischen der Vorspannungsquelle und der Optischelektrisch Umwandlungseinrichtung angeordnete Steuereinrichtung umfaßt, um der Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine umgekehrte oder eine KfuÜvorspannung zuzuführen, so daß die Einrichtung in den leitenden bzw. nichtleitenden Zustand geschaltet wird»
3 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle aus zwei verschiedene

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Spannungen aufweisendenQuellen, besteht und das durch die Steuereinrichtung erste und zweite Steuervorgänge vollzogen werden, wobei im ersten Steuervorgang eine der Quellen zugeschaltet wird, die der Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine niedrige umgekehrte Vorspannung zuführt, um den Schalter nichtleitend zu schalten und wobei im zweiten Steuervorgang die andere Quelle zugeschaltet wird, die eine größere umgekehrte Vorspannung der Optischelektrischumwandlungseinrichtung zuführt, um den Schalter nichtleitend zu schalten.
4 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet ,daß die eine niedrige umgekehrte Vorspannung zuschaltende Quelle eine Spannung mit dem Wert Null erzeugt.
5 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Vorspannungsquelleneinrichtung eine eine einzelne Vorspannung erzeugende Spannungsquelle umfaßt, dag durch die Steuereinrichtung ein erster und ein zweiter Steuervorgang vollzogen wird, daß heim ersten Steuervorgang die genannte Steuerquelle mit der Optischelektrischumwandlungseinrichtung verbunden wird, um die Umwandlungseinrichtung leitend zu schalten, und daß· durch den zweiten Steuervorgang die Spannungsquelle -wan der Optisc^v elektrischumwandlungseinrichtung abgeschaltet wird, um diese nichtleitend zu schalten.
6 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung als Fotodiode ausgebildet ist, die ein erstes einen p-n-übergang aufweisendes, aus einem Ill-V-Verbindungshalbleitermaterial oder Si bestehendes Halbleiterelement und ein zweites

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Il ι

,' Halbleiterelement aufweist, das aus einem Ill-V-Verbin- j

■! '

', dungshalbleitermaterial oder Ge besteht und die ein Gitterkon- ^!

j stante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiter-

elementes entspricht und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
7 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet daß die Optischelektrischumwandlungsein- ! richtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-Übergang aufweisenden und aus InP bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus In Ga_1-As. P besteht, worin 0=bc^1 und O5=yi=1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht,und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
8 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-nübergang aufweisenden und aus GaAs bestehenden. Halbleiterelement und. aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus Al Ga^__x

As.. Sb , besteht worin 0 ^x ^1 und cSv^A , und das eine Gitter-1-x y

konstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
9 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Optischelektrischumwandlungsein-

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richtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-Übergang aufweisenden und aus Al-. ^Ga _x ^AsSb, k^estenenden Halbleiterelement (worin 0 ^ χ = 1 und 0 ^y ^ 1) und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus Al, ,Ga ,As ,P, , j besteht, worin 0 Sx¹ ^ 1 und 0 = y¹ =? 1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmälei ist als der des ersten Halbleiterelementes.
10 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungsein— richtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-Übergang aufweisenden und aus In_1- Ga As Sb, bestehenden Halbleiterelement, (worin 0 ^x — 1 und 0 = y = 1)und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus Al₁ ,Ga ,As ,Sb₁ ,

ι χ χ y ι —y

besteht, worin 0^x¹ — 1 und 0— y¹ ^ 1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
11 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-nübergang aufweisenden und aus In_1- Ga As Sb_1- (worin 0 ^ χ 5Γ1

I ^3C Jt jY I *""jy

und 0 S.y ^ 1) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus Al₁ ,Ga ,As ,P₁ , besteht, worin 0 ^x¹ ^. 1 und 0^y¹ ^ 1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.

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ou4 / Ί οο

■j
12 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,

j dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinij
'j richtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-

! übergang aufweisenden und aus In₁ Ga As P₁ (worin 0 S x S1

.| ι ~x χ y ι ~y

:J und 0 £ y =T I) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht,das aus Al Ga ,As ,Sb₁ ,

1-x' ^x y i~y

j! besteht, worin 0 -=x' ^"1 und 0 = y' ^ 1, und das eine Gitter- ;j konstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
13 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-

;j Übergang aufweisenden und aus In₁ Ga As P₁ (worin 0 ^ χ S 1 ; und 0 =y 2f1) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus Al₁ ,Ga ,As ,P₁ , :

ι-χ χ y i-y ,

besteht, worin 0 ==x' =i 1 und 0 = y¹ ^ 1, und das eine Gitter- j

j konstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiter- j elementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmä- ι

I ler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
14 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ! dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-nübergang aufweisenden und aus (Al Ga₁ ) In_1- Sb (worin 0 S χ ^.1 und 0 ^y 5 1) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus (Al ,Ga₁ ,) In_1- ,Sb besteht, worin 0 =Tx' ^1 und 0 £ y¹ ^ 1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiter-

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elementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der scnmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
15 Optoelektronsicher Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-S übergang aufweisenden und aus In₁ Ga As Sb₁ (worin O = χ =ί 1 '! und O Sy S 1) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus (Al 1Ga_1- ,) 1In_1- ,Sb besteht, worin O 5" x' ^ 1 und O = y¹ S 1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
16 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-niJbergang aufweisenden und aus In_1-Ga As P., (worin θίχ^1 und O =2 y S" 1) bestehenden Halbleiterelement und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus In_1- ,Ga ,As ,P, , besteht, worin O Sx¹ ^I und O ="y' —1, und das eine Gitterkonstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiterelementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmäler ist als der des ersten Halbleiterelementes.
17 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n-Übergang aufweisenden und aus GaAs or AlAs bestehenden Halbleiterelement und einem zweiten aus Ge bestehenden Halbleiterelement besteht.

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18 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,j dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungsein- ! richtung eine Fotodiode umfaßt, die aus einem ersten einen p-n- ! Übergang aufweisenden und aus Si bestehenden Halbleiterelement j und aus einem zweiten Halbleiterelement besteht, das aus In₁ Ga j

ι —χ χ ι

^Asy^Pi-y' ^Al1-x^Gax^Asy^Sb1-y' ^In1-x^Gax^Asy^Sb1-y' ^{oder (Al}x^Ga1 -x^-^i-y Sb besteht, worin 0 ^sx ^Ä1 und 0 ~y — 1, und das eine Gitter- J

konstante besitzt, die im wesentlichen der des ersten Halbleiter-j elementes entspricht, und einen Bandabstand aufweist, der schmä- ί

ler ist als der des ersten Halbleiterelementes. !
19 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,j dadurch gekennzeichnet, daß die Optischelektrischumwandlungsein- j richtung eine eine Lawinenmultiplikationsfunktion aufweisende ι Fotodiode umfaßt. ι
20 Optoelektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, < dadurch; gekennzeichnet, daß, um der Optischelektrischumwandlungs-j einrichtung eine umgekehrte Vorspannung zuzuführen, eine stufen- j lose einstellbare Spannungsversorgungseinrichtung verwendet I

wird.

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