DE2030065A1 - Method and apparatus for controlling an optical conversion - Google Patents
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Description
Dipi-inü-Leinweber Dipi.-ing.ZiminermannDipi-inü linen weaver Dipl.-Ing.Ziminermann
München 2, Rosental 7
Tel. 261989Munich 2, Rosental 7
Tel. 261989
18, Juni 1970June 18, 1970
.DuCLl1Cu; χϋ,οϋίύίΟχι Ji1GLbDAi1IGr,.DuCLl 1 Cu; χϋ, οϋίύίΟχι Ji 1 GLbDAi 1 IGr,
/erfahren und Vorrichtung zur Steuerung ___ einejr offtis^chen^ Umwandlung/ Experienced and device for controlling ___ ajr offtis ^ chen ^ um w an dlun g
Die ji'rfinduny bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine v'orriciitun.?; ■ zur Steuerung einer optischen Umwandlung, unter Vervj-endun-;? eines .Halbleiters.The ji'rfinduny refers to a procedure and to a v'orriciitun.?; ■ to control an optical conversion, under Vervj-endun- ;? a .semiconductor.
Das erfindunys^emäße Verfahren zur Steuerung der optischen" umv;andlun;: besteht darin, daß man die elektrische Ladung einer ein'tiefes ,,iveau bildenden Verunreinigung'in der Sperrschicht eines nalbleiterkörpers verändert, um die Kapazität der Sperrschicht; zu verändern, wodurch mindestens einer der Parameter Lichtdurchlüssigkeit, i-ho to spannung-und Photostrom gesteuert wird. ■'■:-'.'The inventive method for controlling the optical " umv; andlun ;: consists in having the electric charge of a a 'deep level impurity' in the barrier layer a semiconductor body changed to the capacitance of the barrier layer; to change, thereby at least one of the parameters Light transmission, i-ho to voltage and photocurrent controlled will. ■ '■: -'. '
Die erfinduiiyscemäße Vorrichtung zur Steuertang der optischen r umfaßt den Halbleiterkörper, der mit der ein tiefesThe inventive device for the control rod of the optical r includes the semiconductor body with which a deep
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SADSAD
Niveau bildenden Verunreinigung dotiert ist und die Sperrschicht enthält, sowie eine Anordnung zum Ändern der Ladung der 'Jiefniveau-Verunreinigung in der Verarmungsschicht.Level forming impurity is doped and the barrier layer and an arrangement for changing the charge of the jief level impurity in the depletion layer.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Werkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen:Further details, advantages and features of the invention result from the following description. In the drawing, the invention is illustrated by way of example, namely demonstrate:
»ij'ig. la und 1b graphische Darstellungen der Beziehung zwischen der Kapazität einer Sperrschicht in Dioden aus golddotiertem Silicium und der Wellenlänge von einfallendem Licht bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs 5 und“Ij'ig. la and 1b graphical representations of the relationship between the capacitance of a barrier layer in diodes made of gold-doped silicon and the wavelength of incident light at the temperature of liquid nitrogen 5 and
£'ig. 2 eine graphische Darstellung der Änderung der Kapazität der Sperrschicht mit der Zeit bei der 'Temperatur des flüssigen Stickstoffs. £ 'ig. 2 is a graph showing the change in capacitance the barrier layer over time at the temperature of liquid nitrogen.
Wenn eine Verunreinigung in einem Halbleiterkörper durch Licht einer Wellenlänge belichtet wird, die kürzer ist als eine Grenzwellenlänge λ » -rr * -r-js- ,■ wobei c die Liclrcfreschwindigkeit, j> die Schwiiigungsfrequenz und h die Planck1 sehe P konstante ist, die von der Energiemenge ^1E bestimmt wird, die zur Erregung der Elektronen der Verunreinigung'bis ins Leitungsband ausreicht, so werden die Elektronen in das Leitungsband erregt und erhöhen die elektrische Ladung der VerunreinigUiigsatome um eine Elektronenladung in positivem Sinne. Existieren jedoch viele Elektronen im .Leitungsband oder sind die Elektronen im gefüllten Band leicht erregbar, so ist die Variation derIf an impurity in a semiconductor body is exposed to light of a wavelength that is shorter than a cut-off wavelength λ »-rr * -r-js-, where c is the light velocity, j> the oscillation frequency and h is the Planck 1 see P constant, which is determined by the amount of energy ^ 1 E which is sufficient to excite the electrons of the impurity up to the conduction band, the electrons are excited into the conduction band and increase the electrical charge of the impurity atoms by one electron charge in a positive sense. However, if there are many electrons in the conduction band or if the electrons in the filled band are easily excitable, the variation is the
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BAD ORiOIWALBAD ORiOIWAL
elektrischen Ladung der Verunreinigung; plötzlich ausgeschaltet. Als Ergebnis zeigt sich im erstereii j/'all kein Effekt und im letzteren xroll xvrird nux- ein geringer Piiotostrom- erzeugt. Um die anwesenheit vieler Elektronen im Leitung-sbond zu verhindern, v.'ird eine Verarmungsschicht verwendet, so daß keine hagoritätsträger existieren, während zur Verhinderung einer Erregung· der elektronen im gefüllten Land die ein •-Jief-i-iiveau bildende Verunreinigung verwendet wird. Das Gleiche gilt sowohl-für positive Löcher als auch für Elektronen.electrical charge of the impurity; suddenly turned off. As a result, no effect, and in the latter x r oll xv r ird NUX a small Piiotostrom- shows generated in erstereii j / 'all. In order to prevent the presence of many electrons in the conduction bond, a depletion layer is used so that no carriers of agority exist, while the impurity which forms a level is used to prevent the electrons in the filled country from being excited . The same applies to both positive holes and electrons.
hi-α dem Ausdruck "-cief es v'erunreinigungs-ßiveau" wird oft ein r.iveau bezeichnet, das dem gefüllten Band näher ist als der Kitte des verbotenen .bands..- Es ist jedoch in Wirklichkeit nur bei einem solchen r(iveau wirksam, daß ein Elektron bei diesem uiveau durch thermische Energie kaum bis zum Leitfähigiceitsband erregt wird. Aus diesem Gesichtspunkt ist ein Energieniveau, das naher am gefüllten .sand liegt, wirksamer.hi-α is often used for the expression "-cief es v'infeligungs-ßiveau" denotes a level closer to the filled band than the putty of the forbidden .band ..- It is however in reality effective only at such a level that an electron at this level due to thermal energy hardly up to the conductivity band is excited. From this point of view, an energy level closer to the filled sand is more effective.
Ein Beispiel einer Verunreinigung mit einem solchen tiefen Energieniveau ist Gold in p-leitendem Silicium. Wird eine-gold--.dotierte Diliciumdiode einer Lichtstrahlung ausgesetzt, so ändert sich die Kapazität der Sperrschicht der Diode mit der wellenlänge des einfallenden Lichts, wie in den Figuren 1a und 1b dargestellt ist. Die-Aurve nach i'igur 1a gilt für eine n+p-i)ioäe und die kurve nach I?ig. 1b für eine p+n-Diode. Bei einer V/ellenlange von etwa 2 iiikron ändert sich die Kapazität plötzlich merklich. Die kapazität ist bei einer gegebenen otärke der einfallenden.Strahlung gesättigt und erhöht sich nicht; mehr, auch Wenn Licht einer gegebenen Lichtstärke weiterhin darauf gerichtet wird. Wie j?igur 2 zeigt, ändertAn example of such a low energy level contamination is gold in p-type silicon. If a gold-doped silicon diode is exposed to light radiation, the capacitance of the barrier layer of the diode changes with the wavelength of the incident light, as shown in FIGS. 1a and 1b. The aurve according to i'igur 1a applies to an n + pi) ioäe and the curve according to I ? ig. 1b for a p + n diode. At a quarter length of about 2 microns, the capacity suddenly changes noticeably. At a given intensity of the incident radiation, the capacitance is saturated and does not increase; more, even if light of a given luminous intensity continues to be directed onto it. As jigur 2 shows, changes
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„ Zj. _"Zj. _
sich die Kapazität der Sperrschicht der n+p-Diode bei der 'temperatur von flüssigem Stickstoff einige Stunden lang nach der Unterbrechung des Lichteinfalls nicht wesentlich. Die kapazität wird also bei dieser Flüssig-Stickstoff-xemperatur erinnerungsmäßig gespeichert. Um diesen bpeichereffekt zu unterscheiden, kann an die Dioden eine Vorspannung; in Yorwärtsrichtung gelegt werden oder es können in einigen Fällen Photonen mit einer Energie, die gleich der breite des verbotenen Landes ist, oder mit einer Energie, die zur Wiederherstellung der Ladung ausreicht, bei erhöhter temperatur in Vergleich zur i'lüssig-Stickstoff-i'einperatur auf die Diode ger i c lit e t w erden.The capacity of the barrier layer of the n + p diode does not change significantly at the temperature of liquid nitrogen for a few hours after the interruption of the light. The capacity is memorized at this liquid nitrogen temperature. In order to distinguish this storage effect, a bias voltage can be applied to the diodes; be placed in the forward direction or in some cases photons with an energy equal to the width of the forbidden land, or with an energy sufficient to restore the charge, at a higher temperature than the liquid nitrogen The temperature is applied to the diode to ground sth.
Die ivurve gemäß Fig. 1 steli'c das Ergebnis von nessungei: mit einer n+p-Siliciumdiode, die mit Gold dotiert ist, bei der i'lüssig-ütickstoff-'Iemperatur mit einer in bp3rrichtu__r; angelegten Spannung von 5 Volt dar. 'wird die Wellenlänge des einfallenden Lichts seetip; erhöht, so ändert sich die kapazität der Sperrschicht in der durch die kurve ü-λ1 dar. :estell ü^u Weise. r..ei etwa 1 ,0 hikron steigt also die kapazität aurupa c.:;: und ändert sich dann nach Erreichen eines ^axinalwerts nicrre nehr x;esentlich, selbst; wenn die Wellenlänge erhöht v;ird. Dieser Zustand wird aufgrund des Speichereffekts eine, verhältnismäßig lange Zeit aufrechterhalten, wie Figur 2 zeige, riach zwei i'agen fällt die Kapazität von der kurve A' zur Kurve B. wird die Wellenlänge dann stetig: verringert, so ändert sich dis kapazität entsprechend der nurve B-i.-1. Wird die Wellonlan; e uns te "cig verändert, also der durch die reepunkte te Linie eingezeichnete uereich unterbrochen, so vex\Läuft die kapazität entsprechend der kurve A-a1 ' oder k-_:.' ' „The curve according to FIG. 1 represents the result of measurement: with an n + p silicon diode which is doped with gold, at the liquid-nitrogen temperature with an in bp3rrichtu__r; applied voltage of 5 volts. 'will seetip the wavelength of the incident light; increases, the capacity of the barrier layer changes in the manner indicated by the curve ü-λ 1 .: estell ü ^ u way. r .. at about 1.0 hikron the capacity aurupa c.:;: and then changes after reaching an ^ axinal value not more x; actually, even; when the wavelength increases. Due to the memory effect, this state is maintained for a relatively long time, as shown in FIG nurve book - 1 . Will the Wellonlan; e us te "cig changed, ie the area drawn by the re-dotted line interrupted, so vex \ runs the capacitance according to the curve Aa 1 'or k-_ :.''"
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Die Kurven von j?igur 2 entsprechen foeEergebnissen an n+p-Dioden, die mit Gold dotiert sind, bei der jj'lüssigoticks-coff-'!temperatur. Die obere Kurve wurde an einer Diode mit einer Sperr-Vor spannung von 5 "Volt erhalten, die mit j-dchc einexv Wellenlänge von 1,4 uikron belichtet wurde, und die untere xoirve wurde -bei einer Diode mit einer Sperr-Vorspanriun^· von 5 ToIt erhalten, die mit Licht einer Wellenlänge von 2,2 hikron belichtet wurde.The curves of figure 2 correspond to the results on n + p diodes doped with gold at the 'liquid ticks-coff-' temperature. The upper curve was obtained on a diode with a reverse bias voltage of 5 "volts, which was exposed with j-dchc a x v wavelength of 1.4 microns, and the lower xoirve was - with a diode with a reverse bias voltage ^ · Obtained from 5 ToIt exposed to 2.2 micron wavelength light.
Die loirve nach i'igur 1b stellt ein heßergebnis an einerThe loirve according to i'igur 1b is a hot result of one
p+n-Diode onne Vorspannung bei j^lüssig-Stickstoff-'-Demperatur dar. In der Anwendung v/erden Dioden ohne Speicherwlrkuiig im belichteten zustand verv;endet.p + n diode without bias voltage at liquid nitrogen temperature. In the application, diodes end up without storage heat in the exposed state.
Gold in p-leitendem Silicium hat v<eitere wichtige Eigenschaften. JiS kann awei Zustände einnehmen, die negativen nonovalenzeri und negativen Divalenzen entsprechen, die beim Gebrauch in der Wellenlänge differenziert werden können. So kann Gold in p-leitendem dilicium hinsichtlich der Wellenlänge eine Doppelschaltwirkung erzeugen.Gold in p-type silicon has other important properties. JiS can have two states, the negative correspond to nonovalent and negative divalences, which can be differentiated in terms of wavelength when used. So can gold in p-type dilicium in terms of wavelength generate a double switching effect.
Die j.nderung der Kapazität der Sperrschicht bringt eine % Variation der Breite der und/oder der elektrischen 5'eldscärke in der Sperrschicht mit sich. Um die Kapazität der ocnicht zu verändern, können riinoritätsträger durch Injektion oder optische Erregung erzeugt und in der Sperrschicht festvenalten weraen, Der Lffekt der Änderung der !breite der Sperrschicht kann zum Lesen von Licht als Variation des Photosüroms oder zum mildern der Lichtübertragung verwendet werden.The change in the capacitance of the barrier layer results in a % variation in the width of and / or the electrical field strength in the barrier layer. In order not to change the capacity of the ocn, minority carriers can be generated by injection or optical excitation and held in the barrier layer.The effect of changing the width of the barrier layer can be used to read light as a variation of the photosuroma or to reduce the transmission of light.
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— ο -- ο -
Der Effekt der Änderung der elektrischen Feldstärke kann für den elektro-optischen Effekt verwendet v/erden. Außerdem kann· die Underung der Oberflachenladung aufgrund des Vorsehens einer dielektrischen Schicht auf der Oberfläche der Diode für den elektro-optischen Effekt verwendet werden.The effect of changing the electric field strength can be used for uses the electro-optical effect. In addition, the undulation of the surface charge due to the provision a dielectric layer on the surface of the diode can be used for the electro-optical effect.
Wird beispielsweise Licht einer Wellenlänge von 2 hikron auf eine n+p-Siliciumdiode, die mit Gold dotiert ist, gerichtet und gleichzeitig oder anschließend Licht eingr Wellenlänge von etwa 1 Hikron darauf gerichtet, so erniedrigt sich der Photostrom etwa auf die Hälfte. Da andererseits das durch die Diode übertragene Licht der Breite der Sperrschicht proportional ist, erniedrigt sieh die Stärke des durchtretenden Lichts auf'etwa die Hälfte bis ein Drittel. Eine ähnliche Situation ergibt sich für mit Mangan oder Molybdän dotiertes Galliumarsenit oder für mit Mangan oder Eisen dotiertes Gailiumphosph.it,, Als elektro-optischer Effekt kann auch der !Faraday-Effekt verwendet werden,,If, for example, light with a wavelength of 2 hikron is directed onto an n + p silicon diode doped with gold and, at the same time or afterwards, light with a wavelength of about 1 hikron is directed onto it, the photocurrent is reduced by about half. On the other hand, since the light transmitted through the diode is proportional to the width of the barrier layer, the strength of the light passing through is reduced to about half to a third. A similar situation arises for gallium arsenite doped with manganese or molybdenum or for gailium phosphite doped with manganese or iron ,, The! Faraday effect can also be used as an electro-optical effect ,,
Die Empfindlichkeit und Antwortgeschwindigkeit der optischen Umwandlung gemäß der Erfindung sind höher als der Photochromismus. Die Erfindung ist vielfältig anwendbar, beispielsweise können erfindungsgemäße Vorrichtungen mit transparenten Elektroden zur Mustererkennung verwendet v/erden, wenn sie in Matrixform angeordnet sind«,The sensitivity and response speed of the optical conversion according to the invention are higher than the photochromism. The invention can be used in many ways, for example devices according to the invention can with transparent electrodes used for pattern recognition when they are arranged in matrix form «,
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Claims (1)
Verunreinigung Gold ist.7 · Device according to claim 6, characterized in that? Semiconductor body a »
Pollution is gold.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2046865A1 (en) | 1971-03-12 |
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