DE3210086A1

DE3210086A1 - Lumineszenzdiode, geeignet als drucksensor

Info

Publication number: DE3210086A1
Application number: DE19823210086
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.rer.nat. 8520 Erlangen Rühle; Claus Dr.Phil. 8035 Gauting Weyrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-03-19
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1983-09-22
Also published as: JPS58170084A; US4604637A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA fi P 119 7

Lumineszenzdiode« geeignet als Drucksensor,

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lumineszenzdiode, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß mit Einwirkung mechanischen Drucks auf eine Lumineszenzdiode der Bandabstand des Halbleitermaterials dieser Diode verändert wird und sich damit eine somit druckabhängige Frequenzänderung der ausgesandten Lumineszenzstrahlung ergibt. Der Verwendung derartiger Lumineszenzdioden als Drucksensoren steht prinzipiell der Nachteil im Wegej, daß sich Frequenzverschiebungen ausgesandter Strahlung nur mit sehr aufwendigen Mitteln quantitativ erfassen lassen, wie dies für einen messenden Sensor erforderlich wäre.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für potentialfreies Messen geeigneten Drucksensor anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einer Lumineszenzdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs umrissen ist.

Aus wissenschaftlichen Untersuchungen des prinzipiellen Verhaltens und der charakteristischen Eigenschaften von ' Halbleitermaterialien ist bekannt, daß einzelne HaIb-

Bts 1 BIa /18.3.1982

leitermaterialien eine sogenannte direkte Bandlücke und andere Halbleitermaterialien eine sogenannte indirekte Bandlücke aufweisen. Direkte Bandlücke bedeutet, daß ein (Ladungsträger-)Übergang aus dem Leitungsband in das Valenzband - verbunden mit Lichtemission - derart abläuft, daß lediglich die dem ausgesandten Lichtquant entsprechende Energieänderung des Quantenzustands erfolgt. Bei Materialien mit indirekter Bandlücke tritt jedoch nicht nur diese energetische Zustandsänderung auf, sondern es geht notwendigerweise eine Impulsänderung mit einher, bei der quantenphysikalisch ein Phonon mit beteiligt ist. Ein typischer Vertreter für Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke ist Galliumarsenid und GaIlium-Aluminium-Arsenid mit nicht zu großem AIuminiumgehalt. Bei vergleichsweise sehr viel größerem Aluminiumgehalt haben solche Misch-Halbleiter dagegen eine indirekte Bandlücke mit der entsprechenden Zusatzbedingung für mögliche (strahlende) Übergänge zwischen Leitungsband und Valenzband. Andere Beispiele von HaIbleitermaterialien, die je nach Mischungsgrad direkte oder indirekte Bandlücken aufweisen, sind Gallium-Ar senid-Phosphid, Indium-Aluminium-Phosphid und Indium-Aluminium-Arsenid sowie die quaternären Verbindungen, von denen zum ersten Beispiel hier nur das Gallium-Aluminium-Arsenid-Phosphid als typischer Vertreter genannt sei.

Es sind auch bereits wissenschaftliche Untersuchungen vorgenommen worden, wie sich als prinzipielle Beispiele vorgenannte Misch-Halbleiter verhalten, wenn der Gehalt der beiden Antagonisten (z.B. Gallium und Aluminium in Gallium-Aluminium-Arsenid) ein derartiges Verhältnis für χ entsprechend einer Zusammensetzung Ga^ -V-Al_xAs

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Werte hat, die im Bereich des Übergangs τοη direkter Bandlücke zu indirekter Bandlücke liegen* Festgestellt wurde, daß in einem solchen Gebiet die Quantenausbeute für Lumineszenzstrahlung einer betreffenden Diode äußerst stark vom jeweiligen exakten Wert für x, d.h., τοη der genauen Zusammensetzung, abhängt. Während Gallium-Aluminium-Arsenid mit Werten χ unterhalb (0«x<0_s4) ausgesprochen hohe Quantenausbeute und damit große Lichthelligkeit haben, weisen Dioden aus einem GaIlium-Aluminium- Arsenid-Material mit χ >0,4, d.h. höherem Aluminiumgehalt, nur noch geringe Quantenausbeute auf.

Es ist bereits festgestellt worden, daß durch Anwendung τοη Druck auf Halbleitermaterial einschlägiger Art ein solcher Effekt herbeigeführt werden kann, als würde die oben zum Wert χ erläuterte Zusammensetzung verändert werden. Von dieser Erkenntnis geht die vorliegende Erfindung aus und führt in besonders starkem Maße zu Lumineszenzdioden mit druckabhängiger Emissionsleistung bzw«, zu Drucksensoren, die potentialfreie Druckmessung gestatten. Dabei läßt sich mit einer erfindungsgemäßen Diode bzw. bei erfindungsgemäßer Anwendung in einfachster Weise eine logarithmische Erfassung großer Druckbereiche erreichen, d.h. für große Drucke - z.B» im Gefahrenbereich - weist die Druckanzeige den Charakter einer Anzeige mit 'gespreizter oder gedehnter¹ Anzeige auf» Die Erfindung bietet insbesondere in Bezug darauf Vorteile, daß Helligkeitsänderungen sehr viel leichter meßtechnisch quantitativ erfaßt werden können als Frequenzänderungen ausgesandter Lichtstrahlung.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.

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Fig.1 zeigt eine erste prinzipielle Darstellung für eine erfindungsgemäße Diode.

Fig.2 zeigt eine zweite prinzipielle Darstellung. 5

Fig.3 zeigt eine Darstellung zur erfindungsgemäßen Anwendung einer Lumineszenzdiode nach der Erfindung.

Mit 1 ist eine erfindungsgemäße Lumineszenzdiode aus einem wie eingangs angegebenen Material bezeichnet, bei dem die Zusammensetzung der Mischung derart gewählt ist, daß der Wert χ im Bereich des Übergangs von direkter zu indirekter Bandlücke ist. Diese Diode besteht aus einem ersten Anteil 2, in dem das betreffende Halbleitermaterial den einen Leitungstyp (n oder p) aufweist. Der andere Anteil 3 besteht aus dem gleichen Halbleitermaterial, jedoch mit entgegengesetztem Leitungstyp (p oder n). Im Bereich des mit 4 bezeichneten Übergangs wird die ausgesandte Lumineszenzstrahlung 5 bei Stromdurchfluß erzeugt. Für den Stromdurchfluß sind in der Fig.1 nicht näher dargestellt je eine Elektrode auf den beiden zum Übergang 4 parallelen äußeren Querflächen der Diode angeordnet. Mit 11 ist eine Unterlage und mit 12 ist ein Druckstempel bezeichnet, zwischen denen sich die Diode 1 befindet, welche mit einem mit Hilfe der Diode 1 zu messenden, durch den Pfeil 13 angedeuteten Druck belastet sind. Yon Vorteil kann es sein, das aus dem Übergang 4 der Diode 1 emittierte Licht 5 mit Hilfe einer Lichtleitung 8, z.B. einer Lichtleitfaser, weiterzuleiten.

Fig.2 ist weitgehend übereinstimmend mit Fig.1. Wesentlicher Unterschied ist die Anordnung der Diode 1', deren

Übergang 4 bei diesem Beispiel derart ausgerichtet ist, daß dessen mathematische Flächeimormale senkrecht zur Wirkung des (zu messenden) Drucks 13 ist. Die ausgesandte Strahlung 5 tritt hier orthogonal zur Ebene des Übergangs 4 auf. Die (nicht dargestellten) Elektroden der Diode 1 befinden sich an den beiden Seiten des Übergangs 4 befindlichen Anteilen der Diode 1, vorzugsweise auf den zum Übergang 4 parallelen Flächen.

Fig.3 zeigt dem Prinzip nach eine Druckmeßanordnung. Mit 31 ist ein Behälter, z.B. ein Kessel, bezeichnet, dessen innerer (in diesem Falle vorzugszweise hydrostatischer) Druck zu messen ist. Mit 1 ist in Fig.3 wiederum die erfindungsgemäße Lumineszenzdiode bezeichnet. Mit 8 ist auf ein Lichtleitungselement, z.B. eine Lichtleitfaser, hingewiesen, die vor allem für besonders verlustfreie und gegebenenfalls auch auf nicht geradlinigem Wege vorgesehene Lichtübertragung von der Diode 1 auf einen Detektor 32 vorgesehen ist. Dieser Detektor 32 kann z.B. eine Fotodiode sein,, die Bestandteil des gesamten mit 33 bezeichneten, quantitativ messenden Detektors ist.

.Wie ersichtlich, kann die Übertragung der Meßgröße potentialfrei von der Diode 1 auf den Detektor 32 bzw. 33 erfolgen. Der Behälter 31 und der Detektor 33 können sich also auf sehr verschieden hohem elektrischen Potential befinden.

Die erfindungsgemäße Lumineszenzdiode ist mit elektrischem Strom zu speisen, aus dem die Diode Energie für die erzeugte Lichtstrahlung entnimmt. Prinzipiell kann dieser Strom über die mit 34 bezeichneten Anschlüsse des dargestellten Stromkreises zugeführt werden. Um aber

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auch hierfür potentialfrei zu sein, kann vorteilhafterweise anstelle des Stromanschlusses 34 eine wie gestrichelt eingetragene Fotodiode vorgesehen sein, die bei Bestrahlung mit entsprechender Lichtstrahlung 36 als ausreichend starker fotoelektrischer Generator wirksam ist (und sonstige externe Stromzuführung überflüssig macht). Die Strahlung 36 kann z.B. von einer Lumineszenzdiode
oder Laserdiode 37 erzeugt sein, die in entsprechender Weise vom Stromnetz gespeist wird.

2 Patentansprüche

3 Figuren

Leerseite

Claims

• "I

Patentansprüche;

Lumineszenzdiode aus III-V-Halbleitermaterial mit einem pn-tibergang als lichtaktiver Zone, von der Lumineszenzstrahlung mit druckabhängiger Eigenschaft ausgesandt wird, gekennzeichnet dadurch, daß für eine druckabhängige Helligkeit der Lichtemission (5) dieser Diode (1) die Zusammensetzung dieser lichtaktiven Zone (4) aus einem Halbleitermaterial besteht, das eine solche Zusammensetzung hat, die einer Lage nahe dem Übergang von einer direkten zu einer indirekten Bandlücke entspricht und bei der eine Änderung der Zusammensetzung eine wesentliche Änderung der Helligkeit der Emission mit sich, bringen würde.
2. Terwendung einer Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 als Sensor für potentialfreies Messen von Druckkräften (Fig.3).