DE3916205A1

DE3916205A1 - Halbleiterdiode

Info

Publication number: DE3916205A1
Application number: DE19893916205
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof Dr Rer Nat Beneking
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1989-05-18
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1990-11-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode mit einer steuerbaren Strom-Spannungs-Kennlinie.

Dioden aus Halbleitermaterial, beispielsweise PN-Dioden oder Schottky-Dioden, besitzen eine charakteristische nicht-lineare Strom-Spannungs-Kennlinie, die sie für viele Anwendungszwecke, beispielsweise für Gleichrich ter, Schalter oder Mischer prädestinieren.

Bei der Gleichrichtung von nieder- und hochfrequenten Wechselstromsignalen ist eine möglichst starke Krümmung der Kennlinie im Knickpunkt, d. h. zu Beginn des Fluß gebiets, zur Erzielung eines hohen Gleichrichter-Wir kungsgrades erforderlich. Für andere Anwendungszwecke will man dagegen lieber eine Reduzierung der Kennli nien-Krümmung erreichen.

Da bei einer Diode die Injektionsdichte der Ladungsträ ger von der angelegten Spannung exponentiell abhängt, erhält man eine Strom-Spannungs-Abhängigkeit gemäß

Hierbei ist U _T die sog. "Tempera turspannung" (bei Zimmertemperatur ca. 26 mV); n be zeichnet einen Faktor, der zwischen 1 und 2 liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuer bare Halbleiterdiode anzugeben, bei der der exponentiel le Verlauf der Dioden-Kennlinie auf einfache Art und Weise modifiziert werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Diode eine Sperrschicht enthält, und daß zur Kennlinien steuerung die Einstrahlung von Licht in den Sperrschicht bereich vorgesehen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die gesteuerte Lichteinstrahlung in den Sperr schichtbereich der Diode bzw. in deren Nähe wird durch den erzeugten Fotostrom eine Modifikation der Strom- Spannungs-Abhängigkeit erreicht.

Als Lichtsender fungiert dabei eine Lumineszenz-Halb leiterdiode, die vorzugsweise mit der gesteuerten Diode, die als Lichtempfänger wirkt, in einem Bauelement inte griert ist.

Der ursprüngliche exponentielle Verlauf der Dioden-Kenn linie kann in weitem Umfang variiert werden; die Grenze der Krümmungsänderung ist dabei vom Wirkungsgrad Licht sender - Lichtempfänger abhängig.

Bei Verwendung der Diode zu Gleichrichterzwecken oder als Schalter kann die Krümmung der Kennlinie so stark erhöht werden, daß sich der Strom-Spannungs-Verlauf dem idealen Verlauf annähert, bei dem kein Spannungsabfall im Flußgebiet erfolgt. Dies ist z. B. für das verlust arme Durchschalten von Signalen in der Nachrichtentech nik von Bedeutung.

Eine Diode mit verringerter Kennlinien-Krümmung, gege benenfalls mit spezieller Vorgabe der Strom-Spannungs- Abhängigkeit, läßt sich beispielsweise im Gegenkoppel zweig eines Operationsverstärkers einsetzen, um dessen Aussteuerbereich zu vergrößern.

Im Extremfall kann die Kennlinienkrümmung so stark er höht werden, daß in einem Teilbereich der Kennlinie eine Verringerung der Spannungsabhängigkeit vom Strom, d. h. eine negative Charakteristik der Kennlinie, er zielt wird. Dies hat zur Folge, daß nunmehr eine S-för mige Strom-Spannungs-Kennlinie vorliegt. Eine derartige Diode kann als negativer Widerstand eine spezielle Schaltungsfunktion übernehmen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 näher beschrieben werden. Dabei zeigen:

Fig. 1a eine Diode mit einem Homo-Übergang als Sperr schicht,

Fig. 1b eine Diode mit einem Hetero-Übergang als Sperrschicht,

Fig. 2a die Strom-Spannungs-Kennlinie bei verschiede nen Lichtstärken im Falle der Homo-Dioden struktur aus Fig. 1a,

Fig. 2b die Strom-Spannungs-Kennlinie bei verschiede nen Lichtstärken im Falle der Hetero-Dioden struktur aus Fig. 1b,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Dioden,

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die steuerbare Diode und die Lumineszenzdiode integriert sind,

Fig. 5 eine Modifikation der Ausführungsform in Fig. 4.

Die in Fig. 1a dargestellte Diode 9 besteht aus einer N-dotierten Schicht 1, auf die eine P-dotierte Schicht 2 zur Bildung des PN-Übergangs 3 aufgebracht ist. N- und P-dotierte Schicht bestehen dabei aus dem gleichen Material, so daß man einen "Homo"-Übergang 3 erhält. In Fig. 1b ist dagegen eine Diode 9 dargestellt, bei der die N-dotierte Schicht 1 und die P-dotierte Schicht 2 aus Material mit unterschiedlichem Bandabstand beste hen, so daß man einen sog. "Hetero-Übergang" 3 erhält. Beispielsweise besitzt die N-dotierte Schicht 1 einen höheren Bandabstand ("Breitband-Material") als die P- dotierte Schicht 2 ("Schmalband-Material"); die Schicht mit dem Breitband-Material ist dabei mit einem Strich gekennzeichnet (N′).

In Fig. 2a und 2b ist dargestellt, wie sich die Strom- Spannungs-Kennlinien I(U) der in den Fig. 1a und 1b dargestellten Dioden in Abhängigkeit der Lichtstärke der einfallenden Strahlung 4 verschiebt.

Bei einer Homo-Diode (Fig. 2a) verschiebt sich die Strom-Spannungs-Kennlinie I(U) in Abhängigkeit der Lichtstärke mehr oder weniger parallel zur Spannungs achse.

Bei Verwendung einer Hetero-Diode (Fig. 2b) wird die wirksame Diffusionsspannung verändert und damit die eigentliche Kennlinie parallel zur Stromachse verscho ben, was einen stärkeren und günstigeren Effekt verur sacht.

Gemäß dem Ersatzschaltbild aus Fig. 3 wird der die steuerbare Diode 9 beeinflussende Lichtstrom 4 durch eine LED-artige Struktur 10 erzeugt, die als "Licht quelle" im Bauelement inkorporiert ist. Aus der strom durchflossenen LED 10 tritt Licht in die eigentliche Diodenstruktur 9, welche quasi als "Lichtempfänger" wirkt. Das auf die Diode fallende Licht soll jedoch nicht nur mit möglichst hohem Wirkungsgrad im "Sende teil" erzeugt werden, sondern muß darüber hinaus eine Quantenenergie besitzen, welche im "Empfangsteil", der Diode 9 absorbiert wird. Der Empfangsteil muß daher einen Bandabstand besitzen, der geringer als die Quan tenenergie der im Sendeteil erzeugten Photonen ist. Die beiden Schichten 5 und 6 der Lumineszenzdiode 10 bestehen beispielsweise aus dem Breitband-Material Gal lium-Aluminium-Arsenid der Zusammensetzung Ga_0,7Al_0,3As mit einem Bandabstand von ca. 1,8 eV bei einer Dotie rung von 5 · 10¹⁶ cm^-3 und einer Schichtdicke von 10 µm; die beiden Schichten 1 und 2 der steuerbaren Diode 9 bestehen beispielsweise aus dem Schmalband-Material Gallium-Arsenid mit einem Bandabstand von ca. 1,4 eV bei einer Dotierung von 10¹⁷ cm^-3 und einer Schicht dicke von 7 µm.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die steuerbare Diode 9 und die Lumineszenzdiode 10 jeweils zwei Elektroden 7 bzw. 8 besitzen. Bei entspre chender Vorgabe der Potentialverhältnisse an den ein zelnen Halbleiterschichten kann der in der Lumineszenz diode 10 erzeugte und die Kennlinie der Diode 9 beein flussende Fotostrom 4 unabhängig von dem mittels der Anschlußelektroden 7 erzeugten Betriebsstrom der Diode 9 vorgegeben werden.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der nur zwei Elektroden, eine auf der äußeren Schicht 6 der Lumineszenzdiode 10 und eine auf der äußeren Schicht 1 der steuerbaren Diode 9, vorgesehen sind. Damit wird der die Diode 9 durchfließende und beispielsweise gleich zurichtende Strom gleichzeitig zur Lichterzeugung in der Lumineszenzdiode 10 verwendet, wobei das Licht wie derum gleichzeitig die Kennlinie beeinflußt. Infolge dieses Selbststeuermechanismus wandert die Kenn linie in Abhängigkeit des angelegten Stroms; bei großem Strom, d. h. bei mehr Licht, verschiebt sich die Kenn linie nach unten, bei kleinem Strom verschiebt sich die Kennlinie nach oben (Fig. 2a, 2b).

Claims

1. Halbleiterdiode (9) mit einer steuerbaren Strom- Spannungs-Kennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (9) eine Sperrschicht (3) enthält, und daß zur Kennliniensteuerung die Einstrahlung von Licht (4) in den Sperrschichtbereich (3) vorgesehen ist.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Diode (9) als Sperrschicht einen PN-Über gang (3) zwischen Materialien gleichen Bandabstands besitzt (Fig. 1a).

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Diode (9) als Sperrschicht einen PN-Über gang (3) zwischen Materialien unterschiedlichen Bandab stands besitzt (Fig. 1b).

4. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtein strahlung (4) eine Lumineszenz-Halbleiterdiode (10) vorgesehen ist, die mit der die Sperrschicht bildenden, gesteuerten Diode (9) integriert ist.

5. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdiode (10) aus Breitband-Material und die Diode (9) mit der gesteuerten Kennlinie aus Schmalband-Material besteht.

6. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Lumineszenz diode (10) als auch die Diode (9) mit der gesteuerten Kennlinie jeweils einen Anisotyp-Heteroübergang besit zen.

7. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten der Diode mit der gesteuerten Kennlinie (9) und der Lumi neszenzdiode (10) aus III-V-Verbindungs-Halbleitermate rial bestehen.

8. Halbleiterdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das Material mit dem höheren Bandabstand Gal lium-Aluminium-Arsenid und das Material mit dem gerin geren Bandabstand Gallium-Arsenid ist.

9. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode mit der gesteuer ten Kennlinie (9) und die Lumineszenzdiode (10) jeweils zwei Anschlußelektroden (7, 8) besitzen (Fig. 4).

10. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode mit der gesteuer ten Kennlinie (9) und die Lumineszenzdiode (10) jeweils eine Anschlußelektrode (7, 8) an der äußeren Halblei terschicht (1, 6) besitzen (Fig. 5).

11. Verwendung einer Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Verringerung der Steilheit der Dioden-Kennlinie.

12. Verwendung einer Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Vergrößerung der Steilheit der Dioden-Kennlinie.

13. Verwendung einer Halbleiterdiode nach Anspruch 12 zur Gleichrichtung von Wechselstromsignalen.