DE3524261A1 - OPTOELECTRONIC FIXED BODY SWITCH - Google Patents
OPTOELECTRONIC FIXED BODY SWITCHInfo
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Description
Optoelektronischer Festkörperschalt erSolid-state optoelectronic switch
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Optoelektronik, insbesondere das schnelle Schalten und Steuern von Festkörperanordnungen mittels Plkosekundenlaserimpulsen. Derartige schnelle JFest körpers ehalt er dienen zur Erzeugung ultrakurzer elektrischer Impulse bzw. zum Schalten hoher Spannungsimpulse, direkten Detektion von Pikosekundenlaserimpulsen, Realisierung eines zeitlich hoohauflösenden optoelektronischen Sampling-Meßsystems, Steuerung bzw. stabilen Synchroni sie rung einer jitt erfreien Streak-Kamera, Synchroscan—Kamera sowie Pockels— und Kerrzellen, Modulation von Halbleiterlasern mit elektrischen Piko-Sekundenimpulsen und Realisierung weiterer Anwendungsfälle«» The invention relates to the field of optoelectronics, in particular the fast switching and control of solid-state arrangements by means of plcosecond laser pulses. Such fast J solid body ehalt he is used to generate ultra-short electrical pulses or for switching high voltage pulses, direct detection of picosecond laser pulses, Realization of a time high resolution optoelectronic sampling measuring system, control resp. stable synchronization of a jitt-free streak camera, Synchroscan camera as well as Pockels and Kerr cells, Modulation of semiconductor lasers with electrical picosecond pulses and implementation of other applications «»
Die bekannten technischen Lösungen der durch Pikosekundenlaserimpulsen aktivierten optoelektronischen Festkörperschalter lassen sich im wesentlichen in zwei Hauptgruppen einordnen.The known technical solutions of the picosecond laser pulses activated optoelectronic solid-state switches can essentially be divided into two main groups classify.
Bei der einen Gruppe wird die elektrische Leitfähigkeit von hochohmigen Halbleitermaterialien (z.B. Silicium) mittels eines Pikosekundenlaserimpulses, d.h. durch den inneren Fotoeffekt kurzzeitig erhöht (US-PS 3917943, HOU, 39/12).In one group, the electrical conductivity of high-resistance semiconductor materials (e.g. silicon) by means of a picosecond laser pulse, i.e. briefly increased by the internal photo effect (US-PS 3917943, HOU, 39/12).
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Derartige Festkörperschalter sind für die Dauer des erhöhten Leitfähigkeitszustandes geöffnet, d. h. sie führen erhöhten Strom. Nach dem Abklingen der erhöhten Leifähigkeit kehrt der Schalter wieder in den Ausgangszustand der geringen Leitfähigkeit zurück, damit ist der Schalter geschlossen·Such solid-state switches are open for the duration of the increased conductivity state, i. H. they carry increased current. After the increased conductivity has subsided, the switch returns to its initial state the low conductivity, so the switch is closed
Auf diese Weise ist es prinzipiell möglich, kurze Laserimpulse in kurze elektrische Impulse umzuwandeln. Der Nachteil dieser optoelektronischen Pestkörperschalteranordnungen besteht darin, daß die erreichbaren Amplituden der Spannungsimpulse relativ gering sind und. außerdem thermische Instabilitäten einen Lawinendurchbruch herbeiführen können.In this way it is possible in principle to convert short laser pulses into short electrical pulses. The disadvantage of this optoelectronic plague switch arrangements is that the achievable amplitudes of the voltage pulses are relatively small and. in addition, thermal instabilities can lead to an avalanche breakdown.
Um eine Sehalteffektivität von 95% zu erzielen, beträgt die erforderliche Laseranregungsenergiedichte größer oder gleich 100 ^uJ/cm bei Photonenenergien in der Größenordnung der Breite der verbotenen Zone des jeweils verwendeten Festkörpermaterials.In order to achieve a visual effectiveness of 95% , the required laser excitation energy density is greater than or equal to 100 μJ / cm for photon energies in the order of magnitude of the width of the forbidden zone of the solid material used in each case.
Eine zweite Gruppe der optoelektronischen Festkörperschalter sind schnelle Festkörpersohalter auf der Basis des »Avalanche-Effekts» (US-PS 4218618; 4301362, HOU, 40/14).A second group of optoelectronic solid-state switches are fast solid-state brackets on the base the »avalanche effect» (US-PS 4218618; 4301362, HOU, 40/14).
Dabei wird ein hochohmiges Halbleitermaterial, z.B. Crdotiertes GaAs bei tieferen Temperaturen (z.B. 77 K) mit hohen elektrischen Feldstärken betrieben. Durch Belichtung mit einem kurzen Laserimpuls relativ geringer Strahlungsintensität entstehen zusätzlich freie Ladungsträger, die unter den Bedingungen eines hohen elektrischen Feldes beschleunigt werden und zum "Avalanche-Effekt" führen.A high-resistance semiconductor material, e.g. Cr-doped GaAs operated at lower temperatures (e.g. 77 K) with high electric field strengths. By Exposure to a short laser pulse of relatively low radiation intensity also creates free charge carriers, which are accelerated under the conditions of a high electric field and to the "avalanche effect" to lead.
Dies ermöglicht die Erzeugung bzw. das Schalten hoher Spannungsimpulse bei Laserintensitäten kleiner als 100 nJ/cm . Die Anwendung des "Avalanche-Effekts"This enables the generation or switching of high voltage pulses at laser intensities less than 100 nJ / cm. The application of the "avalanche effect"
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
stellt ebenfalls keine optimale Lösung dar, da die nach diesem Prinzip arbeitenden optoelektronischen Festkörperschalter bei tiefen Temperaturen (etwa 77 K) betrieben werden müssen.is also not an optimal solution, as the optoelectronic ones work according to this principle Solid-state switch at low temperatures (approx. 77 K) must be operated.
Ziel der Erfindung ist es, einen schnellen optoelektronischen Pestkörperschalter verfügbar zu haben, der es ermöglicht, kurze und dabei hohe elektrische Spannungsimpulse zu erzeugen, ohne daß die Gefahr des Lawinendurchbruohs besteht und. ohne daß eine zusätzliche Kühlung oder hohe Laserintensitäten erforderlich sind. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines optoelektronischen Festkörperschalters zur Erzeugung hoher Spannungsimpulse ohne Erfordernis der Kühlung desselben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Schaffung von schnellen optoelektronischen Festkörperschaltern solche hochohmigen Festkörpermaterialien ausgewählt werden, bei denen der Stromfluß volumenbegrenzt ist, eine Lad magstragerinjektion auftreten und sich infolgedessen der Effekt des raumladungsbegrenzten Stromes (Space-Charge-Limited-Currents, SCLC) ausbilden kann·The aim of the invention is to provide a fast optoelectronic To have plague switch available, which makes it possible to generate short and high electrical voltage pulses without the risk of an avalanche breakthrough and. without any additional cooling or high laser intensities are required. The object of the invention is to create an optoelectronic Solid-state switch for generating high voltage pulses without the need to cool the same. The object is achieved according to the invention in that for the creation of fast optoelectronic solid-state switches such high-resistance solid-state materials are selected in which the current flow is volume-limited, a Lad magstragerinjection may occur and as a result the effect of the space-charge-limited current (Space-Charge-Limited-Currents, SCLC) can train
Fach der Theorie des raumladungsbegrenzten Stromes (M.A. Lampert, P. Mark "Current Injection in Solids", Academic Press, New York and London, 1970) sowie weiteren Kriterien (F. Stöckmann "Halbleiterprobleme", Bd.IY, 1961), setzt das Auftreten des SCLC-Effekts u.a. voraus, daß der Festkörper ohm'sche Kontakte besitzt und daß durch diese die Strominjektion ermöglicht wird, wobei die dielektrische Relaxationszeit bzw. die Debye-Länge folgende an sich gleichwertigen Bedingungen erfüllt:Subject of the theory of space-charge-limited flow (M.A. Lampert, P. Mark "Current Injection in Solids", Academic Press, New York and London, 1970) and other criteria (F. Stöckmann "Semiconductor Problems", Vol. IY, 1961), the occurrence of the SCLC effect is a.o. presupposes that the solid has ohmic contacts and that these make current injection possible, where the dielectric relaxation time or the Debye length fulfills the following conditions, which are equivalent in themselves:
(III) L^(III) L ^
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Es bedeuten: f-ητ? ~ dielektrische Relaxati ons ze itIt means: f-ητ? ~ dielectric relaxation time
£ - Dielektrizitätskonstante des Vakuums£ - dielectric constant of the vacuum
£r - relative Dielektrizitätskonstante£ r - relative dielectric constant
- spezifische Leitfähigkeit T-r, - Transit zeit L - Debye-Länge d - Dicke des Festkörpers- specific conductivity T-r, - transit time L - Debye length d - thickness of the solid
Für die Zielstellung, diesen Raumladungseffekt zum schnellen Schalten zu nutzen, ist es erforderlich, daß in der verbotenen Zone der Bandstruktur, des jeweiligen dem Festkörper angepaßten Bändermodells, tiefe Störstellen vorhanden und möglichst monoenergetisch, also diskret, verteilt sind. Bekannterweise tritt bei Vorhandensein von tiefen und energetisch diskreten Störstellen der Konzentration N. bei einer elektrischen Feldstärke ErppL und für den Fall der Eint ragerinjektion die sogenannte TFL-Region auf, die dem Zustand der völligen Haft Stellenauffüllung entspricht (Trap-Filled-L;j.mit, abgekürzt TFL) und durch folgende Gleichung beschrieben wird:For the aim of using this space charge effect for rapid switching, it is necessary that in the forbidden zone of the band structure, the respective band model adapted to the solid body, deep imperfections are present and distributed as monoenergetically as possible, i.e. discretely. Known manner, the concentration occurs in the presence of deep and energetically discrete impurities N. at an electric field strength Erpp L and in the case of the immersion rager injection on the so-called TFL region corresponding to the state of complete adhesion sites replenishment (trap-Filled-L; j .with, abbreviated TFL) and is described by the following equation:
Gemäß dieser Gleichung sollte N^ in einer solchen Größen ordnung liegen, daß folgende Relation erfüllt ist:According to this equation, N ^ should be in such sizes order that the following relation is fulfilled:
ETFL < Ekrit , E TFL < E crit,
wobei E, .. der sogenannten kritischen Feldstärke entspricht, die für die meisten Halbleiter bekanntlich etwa 10 V/cm beträgt. where E, .. corresponds to the so-called critical field strength, which is known to be about 10 V / cm for most semiconductors.
Fach der SCLC-Theorie von LAMBERT wird unter den obengenannten Bedingungen für eine vorgegebene elektrische
Feldstärke E , deren Betrag kleiner als Em·™- ist, die
Stromdichte raumladungsbegrenzt, d.h. proportional zu
E2 sein.
Fach LAMPEET gilt: Subject of LAMBERT's SCLC theory, the current density will be space charge-limited, ie proportional to E 2 , under the above-mentioned conditions for a given electric field strength E, the magnitude of which is less than Em · ™ -.
Subject LAMPEET applies:
jx ist die Beweglichkeit für Stromleitung im Leitungsband und <3 ist eine dimensionslose Konstante, die wie folgt definiert ist: jx is the mobility for power conduction in the conduction band and <3 is a dimensionless constant which is defined as follows:
(VII) 0 = · exp(VII) 0 = · exp
S · N. S · N.
Es bedeuten: g ~ Entartungsfaktor, der für einwertigeThey mean: g ~ degeneracy factor, that for monovalent
donatorartige Storstellenniveaus die Zahl 2 annimmtdonor-like storage levels the Number 2 adopts
/^E. - Energieabstand vom Leitungsband, d«h, (AEt = E0 -Et)/ ^ E. - Energy distance from the conduction band, that is, (AE t = E 0 -E t )
k - Boltzmannkonstante T - absolute Temperatur .k - Boltzmann constant T - absolute temperature.
-JS--JS-
Wird bei dieser elektrischen Feldstärke E und einer kon— stanten Temperatur der Festkörper mit einem Pikosekundenlaserimpuls "bestrahlt, d.h. senkrecht bzw. in einem Winkel um 90° zur Richtung des äußeren elektrischen Feldes oder auch parallel, aber entgegen der Feldrichtung, so führt diese Photoinjektion zur Erzeugung freier Ladungsträgerpaare. Die aus dem Valenzband (ggf. auch die aus tieferliegenden Valenzbändern) und den Störstellenniveaus befreiten Ladungsträger führen zu einer kurzzeitigen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Die spontane Zunahme der Besetzungsdichte des Leitungsbandes erhöht gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit für die Besetzung freier Störstellenplätze. Auf diese Weise wird der IFL-Zustand herbeigeführt. Der damit verbundene steile Stromanstieg ist nur von kurzer Dauer, da nach dem Abklingen der erhöhten Besetzungsdichte des Leitungsbandes dieJReemission aus Störstellen überwiegt und dadurch die j/E-Kennlinie wieder in den Ausgangszustand der raumlad ungsbegrenzt en Stromregion zurückkehrt· Wird der optoelektronische Festkörperschalter dagegen in Feldrichtung bestrahlt, so kann sich die Einträger~ injektion und die Photoinjektion zu einer Doppelinjektion überlagern, deren j/E-Kennlinie dadurch gekennzeichnet ist, daß bei Erreichen einer bestimmten Schwellenfeldstärke ein Zustand mit negativem differentiellen Widerstand auftritt, der ebenfalls einen steilen Stromanstieg zur Folge hat»With this electric field strength E and a con- constant temperature of the solid with a picosecond laser pulse "irradiated, i.e. perpendicular or at an angle of 90 ° to the direction of the external electric field or also parallel, but against the field direction, this photoinjection leads to the generation of free charge carrier pairs. Those from the valence band (possibly also those from lower-lying Valence bands) and the charge carriers freed from the impurity level lead to a short-term Increase in electrical conductivity. The spontaneous increase in the population density of the conduction band increases at the same time the likelihood of occupying vacant fault locations. In this way, the IFL state brought about. The associated steep The rise in current is only of short duration, since the increased population density of the conduction band has subsided the reemission from impurities predominates and thus the j / E characteristic curve back to the initial state of raumlad ization-limited en current region returns · If the optoelectronic solid-state switch is against it irradiated in the direction of the field, the single-carrier injection and the photo-injection can become a double injection superimpose, the j / E characteristic curve of which is characterized by that when a certain threshold field strength is reached, a condition with negative differential resistance occurs, which also results in a steep increase in current »
Die resultierende elektrische Leitfähigkeit des optoelektronischen Festkörperschalters wird durch die Überlagerung von Foto- und SCLC-Effekt hervorgerufen. Ferner ist zu berücksichtigen, daß unter bestimmten Strahlungsbedingungen, die an dem optoelektronischen Schalter anliegende elektrische Feldstärke durch das elektrische Feld der Lichtwelle verstärkt bzw. geschwächt werden kann.The resulting electrical conductivity of the optoelectronic solid-state switch is determined by the superimposition caused by photo and SCLC effect. It should also be taken into account that under certain Radiation conditions, the electrical field strength applied to the optoelectronic switch due to the electrical Field of the light wave can be strengthened or weakened.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments.
In Übereinstimmung zur Theorie des raumladungsbegrenzten Stromes werden solche hochohmigen Kristallscheiben oder Dünnschichten ausgewählt, die den volumenbegrenzten Stromfluß ermöglichen und die allgemeinen Bedingungen der SCLC-Theorie erfüllen.In accordance with the theory of the space charge limited With the current, such high-resistance crystal disks or thin layers are selected that limit the volume Enable current flow and the general conditions meet the SCLC theory.
Diese Pestkörper, die hochohmige Halbleiter oder Isolatoren sein können, sollen zunächst sandwichartig mit ohm1sehen Kontakten versehen sein, die den volumen— begrenzten Stromfluß und die Injektion von Ladungsträgern ermöglichen. Im weiteren soll vorzugsweise die Einträgerinjektion, d.h. Elektroneninjektion, betrachtet werden. Ferner wird vorausgesetzt, d.aß in diesen Festkörpern mindestens ein dominierendes monoenergetisches donatorartiges Störstellenniveau existiert, das durch die Störstellenparameter £E. , N^ sowie den Einfangquerscbnitt jS eindeutig bestimmt ist.These plague bodies, which can be high-resistance semiconductors or insulators, should initially be provided in a sandwich-like manner with ohm 1- see contacts, which enable the volume-limited current flow and the injection of charge carriers. In the following, the single-carrier injection, ie electron injection, should preferably be considered. It is also assumed that there is at least one dominant monoenergetic, donor-like impurity level in these solids, which is determined by the impurity parameters £ E. , N ^ and the capture cross section jS is clearly determined.
Ein Material, das sowohl die hier genannten Bedingungen und Voraussetzungen der SCLC-Theorie als auch die erforderlichen Eigenschaften für den Einsatz als optoelektronischer Schalter besitzt, ist beispielsweise Quecksilber-II-Iodid (HgI2).A material that has both the conditions and requirements of the SCLC theory mentioned here and the properties required for use as an optoelectronic switch is, for example, mercury-II-iodide (HgI 2 ).
Mit einem Brechungsindex von T[ = 2,71' und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 JCcm sowie einer Breite der verbotenen Zone von 2,13 eV ist dieses Material prinzipiell für optoelektronische Schalter geeignet. Die erforderliche kurze mittlere Lebensdauer, der durch den Pikosekundenlaserimpuls angeregten Ladungsträger, wird z.B. durch donatorartige StorStellenniveaus mit einer energetischen Tiefe von ΔE. = E - E. s» 0,9 eV,With a refractive index of T [= 2.71 'and a specific resistance of the order of magnitude of 10 JCcm and a width of the forbidden zone of 2.13 eV, this material is in principle suitable for optoelectronic switches. The required short mean life of the charge carriers excited by the picosecond laser pulse is, for example, due to donor-like storage levels with an energetic depth of Δ E. = E - E. s »0.9 eV,
-13 -Ib-J einer Konzentration von 10 bis 10 cm und einem Einfangquerschiaitt für Elektronen in der Größenordnung-13 -Ib-J a concentration of 10 to 10 cm and one Trapping cross-section for electrons of the order of magnitude
—Λ 3 2
von 10 cm erzielt.- Λ 3 2
of 10 cm.
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Λ 7Λ 7
JS —JS -
Für Kristalldicken kleiner ala 5 · 10 cm und Betriebsspannungen von 4000 V sind beispielsweise elektrische Feldstärken bis zu 10 V/cm erreichbar und ira Hinblick auf die kritische Feldstärke anlegbar.For crystal thicknesses less than 5 x 10 cm and operating voltages of 4000 V, for example, electric field strengths of up to 10 V / cm can be achieved and with regard to the critical field strength can be applied.
Den Forderungen nach ohm1sehen und ggf. transparenten und dauerhaften Kontaken wird z.B. durch eine dünne aufgedampfte Palladiumschicht ents|)rd)ohen· In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Festkörperanordnungen dargestellt, bei denen ein und dieselbe Kristallscheibe 7 der Dicke d verschieden kontaktiert bzw. angeordnet ist» In der Figur 5 wurde diese Kristallsoheibe durch eine auf dem Substratträger 13 befindliche kontaktierte Aufdampfschicht ersetzt· Die Symbole 6 kennzeichnen die aufgebrachten ohm1sehen Kontaktschichten· Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 soll die obere Kontaktschicht 6 vorzugsweise transparent sein. Die Stellen 5 deuten die feste elektrische Verbindung zwischen den Leitern und den Kontakten an.See the requirements for ohm 1 and, if necessary, transparent and permanent contacts, for example by means of a thin vapor-deposited palladium layer. In FIGS or is arranged »In Figure 5, this crystal base was replaced by a contacted vapor deposition layer located on the substrate carrier 13 · The symbols 6 identify the applied ohm 1 see contact layers · In the embodiment of Figure 4, the upper contact layer 6 should preferably be transparent. The points 5 indicate the permanent electrical connection between the conductors and the contacts.
In den Figuren 1 bis 4 dient die linke Koaxialleitung als Ladekabel 4, dessen Länge bekanntlich die Dauer des Spannungsimpulses bestimmt. Die rechte Koaxialleitung dient als Übertragungskabel 4 . In den Ausführungsbeispjelen gemäß Figur 1 bis 4 bedeutet 1 die Spannungsquelle mit der Spannung U , die mit dem Vorwiderstand 3 verbunden 2 ist. Der Vorwiderstand dient u.a. zur Strombegrenzung. Der kontaktierte optoelektronische Festkörperschalter 6 und 7 ist mit den beiden Innenleitern der koaxialen Kabel 4 direkt verbunden· Durch die leitende Verbindung 9 ist die Wellenleiteranordnung komplettiert, wobei 8 eine Isolatorschicht darstellt, die den eigentlichen optoelektronischen Schalter von der Masseverbindung 9 trennt. Mit Hilfe des Lastwiderstandes 11 kann die reflexionsfreie Anpasaung der Wellenleiteranordnung vorgenommen werden.In FIGS. 1 to 4, the left coaxial line is used as a charging cable 4, the length of which is known to be the duration of the voltage pulse. The right coaxial line serves as a transmission cable 4. In the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 4, 1 means the voltage source with the voltage U, which with the series resistor 3 connected 2 is. The series resistor is used, among other things, to limit the current. The contacted optoelectronic solid-state switch 6 and 7 is with the two inner conductors the coaxial cable 4 directly connected by the conductive connection 9, the waveguide arrangement is completed, 8 represents an insulator layer that separates the actual optoelectronic switch from the ground connection 9 separates. With the help of the load resistor 11, the reflection-free adaptation of the waveguide arrangement can be carried out will.
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--*"- υ 352Λ261- * "- υ 352Λ261
Die Verbindungsstelle 14 dient zur Abnahme des erzeugten Schaltimpulses.The connection point 14 is used to remove the generated Switching pulse.
Gemäß Figur 1 erfolgt die Bestrahlung 10 parallel zur Kontaktebene, d.h. wie bei der Untersuchung der Fotoleitung. In der Figur 2 ist der Festkörper 7 bis auf einen Ring kontaktiert, dessen Breite durch die elektrische Feldstärke bestimmt wird. Bei Belichtung wird die kontaktfreie Region ganz oder teilweise niederohmig. In der Figur 3 ist eine Reihenschaltung aus einem Fotoleiter 12 und einem optoelektronischen Schalter dargestellt. Durch Belichtung wird, der Fotoleiter niederohmig, der aus dem gleichen Material beschaffen sein kann wie 7> so daß sich die am Festkörper liegende Feldstärke erhöht, wodurch der optoelektronische Schalter geöffnet wird. In der Figur 4 soll die Bestrahlung senkrecht zu den Kontaktflächen erfolgen, also wie bei der Untersuchung des Dembereffekt es.According to FIG. 1, the irradiation 10 takes place parallel to the contact plane, i.e. as in the examination of the photoconductor. In FIG. 2, the solid body 7 is contacted except for a ring, the width of which is determined by the electric field strength is determined. When exposed, the contact-free region becomes completely or partially low-resistance. In the figure 3 is a series circuit of a photoconductor 12 and an optoelectronic switch. Exposure causes the photoconductor to have a low resistance can be made of the same material as 7> so that the field strength on the solid body increases, whereby the optoelectronic switch is opened. In FIG. 4, the irradiation should be perpendicular to the contact surfaces take place, so as with the investigation of the Dembere effect it.
Bei entsprechender Dimensionierung können die kontaktier— ten Festkörper 7 auch durch die Anordnung gemäß Figur 5 ersetzt werden.With appropriate dimensioning, the contacting th solid body 7 can also be replaced by the arrangement according to FIG.
In der Figur 6 ist ein großflächiger Festkörper dargestellt, dessen Vorder- und Rückseite mit beispielsweise 9 gegenüberliegenden Kontakten versehen ist. Zur besseren Übersicht wurden nicht alle Kontakte mit Symbolen bezeichnet, sondern nur der Kontakt der 1. Spalte und 3.(Spalte) Zeile. Mit dieser Anordnung können gleichzeitig 9 verschiedene Kanäle betrieben werden, d.h. mit ein und demselben Substrat gleichzeitig mehrere elektrische Impulse erzeugt werden.A large-area solid body is shown in FIG Contacts is provided. For a better overview, not all contacts have been marked with symbols, but only the contact of the 1st column and 3rd (column) row. With this arrangement 9 different Channels are operated, i.e. several electrical impulses are generated simultaneously with one and the same substrate will.
In der Figur 7 ist eine typische j/E-Kennlinie des raumladungsbegrenzten Stromes (SCLC) ohne Bestrahlung und für den Fall der Einträgerinjektion dargestellt. Die Kennlinie A zeigt den Verlauf des SCLC-Stromes für einen idealen Festkörper ohne Störstellen. Die Kennlinie B besteht ausFIG. 7 shows a typical j / E characteristic curve of the space charge-limited Stromes (SCLC) shown without irradiation and for the case of single-carrier injection. The characteristic A shows the course of the SCLC current for an ideal solid body without any imperfections. The characteristic curve B consists of
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dem ohm'sehen - dem raumladungsbegrenzten-, dem TFL- und dem erneuten raumladungsbegrenzten Strombereich, für den 0=1 gilt (siehe Gl. VI).the ohm's vision - the space charge limited, the TFL and the renewed space charge-limited current range, for where 0 = 1 applies (see Eq. VI).
E und E stellen die minimal und maximal an den Festkörper anlegbare elektrische Feldstärke dar, wobei die obere Gjmze kleiner als die sogenannte kritische Feldstärke sein soll. Die Feldstärke Et^ charakterisiert den Übergang vom ohm'sehen zum raumladungsbegrenzten Strombereich· Die Feldstärke -Emj-T entspricht der Schwellfeldstärke der TFL-Region. Diese Schwellenfeldstärke beträgt z.B· fürE and E represent the minimum and maximum electrical field strengths that can be applied to the solid, the upper Gjmze should be smaller than the so-called critical field strength. The field strength Et ^ characterizes the transition from ohmic vision to the current range limited by space charge · The field strength -Emj-T corresponds to the threshold field strength of the TFL region. This threshold field strength is, for example, for
N4. = 1013 cm"3 , £r = 7,51 und d = 2 · 10"*2 cm, t rN 4 . = 10 13 cm " 3 , £ r = 7.51 and d = 2 x 10" * 2 cm, dr
d.h. für den angenommenen Hg !-Einkristall, gemäß Gl. (IV). 2,41 · 104 V/cm.ie for the assumed Hg! single crystal, according to Eq. (IV). 2.41 x 10 4 V / cm.
Für En a 2 . -\Q V/cm und Raumtemperatur (293 K) sowie den Störstellenpararnetern N4^ = 10' cm , Δ E4^ = 0,90 eV und der Zustandsdichte Nn, (RT) = 3,67 · 10*19 cm~3 erhält man nach Gl. (VII):For E n a 2. - \ Q V / cm and room temperature (293 K) as well as the impurity parameters N 4 ^ = 10 'cm, Δ E 4 ^ = 0.90 eV and the density of states N n , (RT) = 3.67 · 10 * 19 cm ~ 3 one obtains according to Eq. (VII):
© = 6,04 · 10"10 .© = 6.04 x 10 " 10 .
Mit jx = 50 cnr/Vs , und EQ kann nach Gl. (Vl) dieWith jx = 50 cnr / Vs, and E Q , according to Eq. (Vl) the
Stromdichte für den Fall <£){<1 und 0=1 berechnet werden. Die Ergebnisse lauten:Calculated current density for the case <£) {<1 and 0 = 1 will. The results are:
jso (E0, O(<1) = 9,03 · ΙΟ""12 A/cm2 und jSQ (B , ©= 1) =j so (E 0 , O (<1) = 9.03 * ΙΟ "" 12 A / cm 2 and j SQ (B, © = 1) =
1,50 » 10~2 A/om2 . 1.50 »10 ~ 2 A / om 2 .
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Durch den SCLC-Effekt ändert sich die elektrische Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen. Hierbei ist aber noch der Beitrag der .Fotoleitung zu berücksichtigen. Infolge der überlagerung von Fotoleitung und SCLC-Effekt kann der Gesamtwiderst and des optoelektronischen Schalters auf Rn-Da jC Z reduziert werden, wobeiThe SCLC effect changes the electrical conductivity by several orders of magnitude. Here, however, the contribution of the photo management has to be taken into account. As a result of the superimposition of photoconductivity and SCLC effect, the total resistance of the optoelectronic switch can be reduced to R n -Da jC Z, where
UuD >Λ OUuD> Λ O
RqBS = d/A · (ο ρ + O 3C ) gilt und ZQ der Impedanzwiderstand
ist ο
A ist die Querschnittsfläche des Kristalls und. β» bzw.© sc Rq BS = d / A · (ο ρ + O 3 C ) applies and Z Q is the impedance resistance ο
A is the cross-sectional area of the crystal and. β »or © sc
bedeuten die Leitfähigkeitsbeiträge der Fotoleitung und des SCLC-Effekts· Bereits für eine mittlere Impulsenergie von weniger als 10 nJ/cra und einer mittleren Impulsdauer von 10 ps eines 530 nm Laserimpulses (Nd - IAG mode-Looked-SHG) unterschreitet der optoelektronische Schalter den Impedanzwiderstand und öffnet· Bei dieser Abschätzung wurde vorausgesetzt, daß sich die äußere Feldstärke E und der Maximalbetrag der Feldstärke der Lichtwelle optimal überlagern, das durch die Anordnungen von Figur 1 und 2 realisierbar ist.mean the conductivity contributions of the photoconductor and of the SCLC effect · Already for a medium pulse energy less than 10 nJ / cra and an average pulse duration of 10 ps of a 530 nm laser pulse (Nd - IAG mode-Looked-SHG) If the optoelectronic switch falls below the impedance resistance and opens In this estimate it was assumed that the external field strength E and the maximum amount of the field strength superimpose the light wave optimally, which can be implemented by the arrangements of FIGS. 1 and 2.
Durch das Öffnen des optoelektronischen Schalters erzeugt ein 25 cm langes Ladekabel einen Spannungsimpuls von etwa 760 ns Dauer. Falls durch den Lastwiderstand 11 eine reflexionsfreie Anpassung erreicht wird, d.h.By opening the optoelectronic switch, a 25 cm long charging cable generates a voltage pulse of about 760 ns duration. If a reflection-free adaptation is achieved by the load resistor 11, i.
RQES + ^L = Zo S^*> entsteht ein Rechteckirapuls mit einer Impulshöhe von U /2 = 200 V, da die oben beschriebenen Abschätzungen mit U = 400 Y vorgenommen wurden« Analoge Resultate sind mit den Anordnungen nach Figur 2 und 4 erreichbar. Falls zum Beispiel die elektrische Feldstärke des Laserimpulses selbst nicht wirksam werden kann, wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 3, wird die am optoelektronischen Schalter effektiv anliegende R QES + ^ L = Z o S ^ *> the result is a rectangular pulse with a pulse height of U / 2 = 200 V, since the estimates described above were made with U = 400 Y «Analogous results are obtained with the arrangements according to FIGS. 2 and 4 accessible. If, for example, the electric field strength of the laser pulse itself cannot become effective, as in the exemplary embodiment according to FIG. 3, that effectively applied to the optoelectronic switch will be
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elektrische Feldstärke auf solche Beträge erhöht, daß der elektrische Widerstand in die Größenordnung des Impedanzwiderstandes kommt, wodurch gleichzeitig höhere Spannungsimpulse entstehen. Da aber die anlegtare Feldstärke durch die kritische Feldstärke begrenzt wird, ist es zweckmäßig, den eigentlichen optoelektronischen Schalter mit einer konstanten Strahlungsquelle 15 zu belichten, z.B. mit einer Lumineszenzdiode, mit dem Ziel, daß der gesamte elektrische Widerstand im Schaltzustand den gewünschten Wert von kleiner oder gleich Z annimmt· Die Trennwand 16 verhindert, daß der Fotoleiter 12 durch die Strahlung getroffen wird«electric field strength is increased to such amounts that the electrical resistance is of the order of magnitude Impedance resistance comes, whereby higher voltage pulses arise at the same time. But there the applied field strength is limited by the critical field strength, it is appropriate to use the actual optoelectronic To expose switches with a constant radiation source 15, e.g. with a light emitting diode, with the The aim is that the total electrical resistance in the switching state is the desired value of less than or equal to Z assumes · The partition 16 prevents the photoconductor 12 from being hit by the radiation «
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