DE2260285A1 - Sichtbares licht emittierende vorrichtung - Google Patents

Description

173, Bd. Haussmann
Paris 8e/Frankreich -.

und

CENTRE NATIONAL D¹ETUDES DES TELECOMMÖKLCATTOilS

38-40 rue du General-Leclerc
Issy-les Moulineaux/Frankreich

Unser Zeichen: T 1312

Sichtbares Licht emittierende Vorrichtung

Die Erfindung betrifft sichtbares Licht aussendende Vorrichtungen, die aus einer Infrarotlicht emittierenden im festen Zustand elektrolumineszierenden Vorrichtung, gekoppelt mit einer die infrarotstrahlung absorbierenden fotolumineszierenden Vorrichtung bestehen, wobei die letztere dann sichtbares Licht aussendet.

Der Vorteil einer solchen sichtbares Lichtemittierenden · Vorrichtung besteht in der Möglichkeit, sichtbare Strahlung verschiedener Farben zu erhalten, indem man die sogenannten " Vandler"-Materialien in der fotolumineszierenden Vorrichtung in geeigneter Weise wählt.

Dr.Ha/Mk

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Das Prinzip der Umwandlung von Infrarotstahlung in sichtbare Strahlung wird nachstehend erläutert. Infrarotphotonen werden beispielsweise von einer elektrolumineszierenden Diode aus mit Silizium dotiertem Galliumarsenid ausgesendet, wobei diese Diode in das Wandlermaterial eingebettet ist. Diese Infrarotphotonen werden von Ytterbiumioneh (Yb⁺) absorbiert; diese Absorption ist optimal, wenn die Wellenlänge des Infrarot 0,97 Mikron beträgt. Die so absorbierte Energie wird im Innern des Wandlermaterials ausgenutzt, um nacheinander beispielsweise Erbiumionen (Er⁺⁺⁺) oder Thuliumionen (Tm⁺⁺⁺) zu erregen, die sich dann unter Aussendung von Photonen mit der gleichen bzw. doppelten oder dreifachen der einfallenden Energie abreagieren und zwar ohne Verletzung des Prinzips der Umwandlung von Energie, da zwei oder drei Photonen dann ihre Energie auf ein einziges ausgesendetes Photon übertragen. Wenn die Verluste in Form von Wärme hoch sind, kann man ausgesandte Photonen mit einer geringeren Energie als das zweifache oder dreifache der Energie der einfallenden Photonen erhalten.

Man kann somit Infrarotlicht in sichtbares Licht verschiedener Farbe Je nach der Art der zu Beginn verwendeten seltenen Erde umwandeln. Diete "Multiphoton"-Wandlerstoffe befinden sich in Form von Pulvern, und lassen praktisch alle gewünschten Farben erzielen.

Leider bleibt die Absorption der das Wandlermaterial bildenden Stoffe im Infrarot immer gering, während die Absorption im Sichtbaren ziemlich groß ist; außerdem zeigt die Wahrscheinlichkeitsrechnung, daß beispielsweise im Fall eines "biphoton" Vorgangs der Grad der Energie-

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umwandlung proportional dem Quadrat der absorbierten Infrarotstrahlung ist. Daraus folgt, daß in der Praxis die Umwandlung ■nur an Stellen hoher Dichte von Infrarotlicht wirksam ist.

Um in den auf diesem Umwandlungsprinzip beruhenden Systemen eine gute Gesamtausbeute zu erzielen, müßten somit Vorrichtur»_: gen verwendet werden in denen:

1. Die Bahn der Infrarotphotonen in dem Wandlermaterial so lang wie möglich ist, damit die Absorption an Infrarotstrahlung hoch ist;

2. hingegen die Bahn der Photonen von sichtbarem Licht in dem absorbierenden Material möglichst kurz ist, damit ihre Absorption gering ist.

Die Erfindung ermöglicht die Lösung dieses Problems.

Die erfindungsgemässe, sichtbares Licht emittierende Vorrichtung, die eine Quelle für energiearme Photonen (Infrarotstrahlung) besitzt, kennzeichnet sich dadurch, daß diese Quelle einem Wandlermaterial zugeordnet ist, das energiereiche Photonen (sichtbares Licht) aussenden kann und auf welches Reflektoren die energiearmen Photonen richten, wobei diese Reflektoren so ausgebildet sind, daß die energiearmen Photonen eine möglichst lange Bahn in dem Wandlermaterial zur Erhöhung der Volumendichte an energiearmen Photonen in dem Material zurücklegen und daß energiereiche Photonen vorhanden sind, die in dem Wandlermaterial eine möglichst kurze Bahn zurücklegen.

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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 Schnittansichten, welche die Zonen grösster Helligkeit in den bekannten Vorrichtungen zeigen;

Fig. 3 bis 7 entsprechende Schnittansichten erfindungsgemässer Vorrichtungen.

In allen dargestellten Vorrichtungen sind die Abmessungen der Diode vergrößert gegenüber denjenigen der gesamten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer bekannten Vorrichtung. Sie besitzt eine elektrolumineszierende Diode 10, die aus einer η-dotierten Zone gebildet ist, welche mit einer p-dotierten Zone einen Flächenübergang 1 bildet. Bekanntlich besitzen solche Dioden einen lichtemittierenden Übergang, wenn sie aus geeignetem Material, z.B. Galliumarsenid, bestehen und sie sind in gerader Richtung polarisiert. Ein Mittel, ure Dioden mit grosser Helligkeit zu erhalten, besteht darin, durch Epitaxie in flüssiger Phase auf einem ebenen, beispielsweise p-dotierten Material ein η-dotiertes Material abzuscheiden. Man erhält so Dioden mit ebenen pn-übergang in Form eines Zylinders oder Quaders. Man erhält eine Zone grosser Helligkeit 5, welche den Übergang umgibt. Die an den verschiedenen Stellen des Übergangs ausgesendeten Photonen bilden

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in dieser Zone dichte Lichtströme. Das Wandlermaterial 4 umgibt die Diode und seine Lumineszenz ist in der Zone 5, die eine Krone rund um die Diode bildet, maximal. Die Anschlüsse 2 und 3 sind die Polarisationsansehlüsse der Diode, die, um Licht auszusenden von einem Gleichstrom durchflossen werden muß.

Die Figur 2 (in welcher gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind) unterscheidet sich von Flg. 1 dadurch, daß die Diode in Form eines Kegelstumpfs ausgebildet ist, dessen Basis mit geringerem Querschnitt einem auf der Achse XX der Diode plazierten Beobachter auf der η-dotierten Seite des Übergangs zugewendet ist, was es ihm ermöglicht, die lümineszierende Zone besser zu sehen.

Diese beiden Vorrichtungen sind bekannt und besitzen zwei Nachteile: ■

a) Die Bahn der von der Diode ausgesendeten energiearmen Photonen ist kurz; sie werden daher wenig absorbiert;

b) die lümineszierende Zone befindet sich nicht in unmittelbarer Nähe der Trennfläche des Materials 4 und des Umgebungsmilieus; ein Beobachter sieht sie nur durch eine energiereiche Photonen absorbierende Zone, die aus dem Material 4 besteht.

Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie ermöglicht die Beseitigung dieser Nachteile.

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Diese Figur zeigt einen Schnitt durch eine Metallmulde mit ebenem Boden 31 und zylindrischen Seitenwänden 32. Diese Mulde ist mit dem Wandlermaterial 4 gefüllt. Am Boden ist die p-leitende Zone der Diode 10 abgeschieden. Die Innenfläche dieser Metallmulde (z.B. aus Kupfer) wurde vorher so vergoldet, daß sie einen ausgezeichneten Reflexionskoeffizienten für Lichtstrahlung besitzt. Ein von dem Übergang ausgesendeter Infrarotstrahl, z.B. der Strahl EIJK wird bei I an der Wand 33 reflektiert und am Punkt J gebrochen, wo er die Trennfläche zwischen dem Material 4 und der Umgebungsluft durchquert. Man sieht, daß der Weg- der Infrarotstrahlen in dem Material 4 langer ist als er ohne Wand 32 wäre. Wenn man ausserdem einen in

der Bahn EI des Strahls gelegenen Punkt M₁ und einen

ι j

auf der Bahn IJ giLegenen Punkt Mp betrachtet, weiß man, daß Photonen sichtbaren Lichts an diesen Punkten durch die dort befindlichen Emitterionen ausgesendet werden. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß diese Photonen eine kürzere Bahn beschreiben müssen, um in die Umgebung auszutreten, wenn sie vom Punkt Mp kommen als wenn sie vom Punkt M>· kommen. Das heißt, daß auf dieser Bahn IJ Photonen entstehen, deren Chance, absorbiert zu werden geringer ist als der auf der Bahn EI entstehenden Photonen. Die Licht emittierende Zone findet sich daher in einem Bereich konzentriert, der sehr nahe an der Trennfläche liegt, was die Helligkeit verbessert.

In Fig. 4 und 5 besitzt die Mulde die Form eines Kegelstumpfs ( ebener Boden 41, Seitenwand 42, Fig. 4) bzw. die Form eines Abschnitts eines Umdrehungsparaboloids um die Achse XX, dessen Fokus in der Ebene des pn-übergangs liegt ( ebener Boden 51, Seitenwand 52, Fig. 5). Der in

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den beiden Figuren gezogene Strahl EI liegt in der -Ebene des pn-Übergangs. Genau in Nähe dieser Ebene ist jedoch der entlang der Achse EI gerichtete Strom von,Infrarotphotonen am grössten, denn hier addieren sich die aus dem gesamten pn-übergang kommenden Ströme. infolgedessen nützt man in den Vorrichtungen von Fig. 4 und 5 die in der Ebene des pn-Übergangs ausgesendeten Strahlen am besten.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung analog derjenigen von Fig. 5, jedoch mit einem zusätzlichen Vorteil. Diese Vorrichtung besitzt einen Spiegel 60, der die aus dem Metallspiegel 32 gebildete Mulde abschließt, jedoch zwischen dem Material 4 und dem Spiegel selbst einen _%Zwischenraum 61 läßt. Der Spiegel 60 ist selektiv, d.h. er reflektiert die Infrarotstrahlung ( mit einer Wellenlänge von 0,97 Mikron im Fall von mit Silizium dotiertem Galliumarsenid). Der Spiegel ist durchlässig für Strahlung geringerer Wellenlänge. Er besteht beispielsweise aus dielektrischen Schichten mit jeweils einer Dicke, die gleich dem Viertel der Wellenlänge ist, die er reflektieren kann. Man kann solche Spiegel herstellen, · welche selektiv das nahe Infrarot reflektieren, wie das erfindungsgemäß der Fall ist.

Fig. 6 zeigt die Bahn eines an einem Punkt E des pn-Übergangs, an der Perepherie desselben ausgesendeten Infrarotstrahls. Der Strahl EI wird in dem (z.B. mit Luft von Atmosphärendruck gefüllten) Zwischenraum 61, der das Material 4 von dem Spiegel 60 trennt, entlang IJ gebrochen. Er wird an der Wand 32 entlang JK, dann an dem Spiegel 60 entlang KL und an der Wand 32 entlang LM reflektiert, wird in dem Material 4 entlang MQ, in dem Zwischenraum 61 entlang QR

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gebrochen, wird an dem Spiegel 60 entlang RS und an der Wand 32 entlang ST reflektiert und so fort.

Die an verschiedenen Punkten der Bahn des in Fig. 6 dargestellten Strahls und insbesondere in Punkt 0 ausgesendeten Photonen sichtbaren Lichts durchqueren praktisch ohne Abschwächung den Spiegel 60. Man kann somit den Spiegel 60 als Filter betrachten, der selektiv die Infrarotstrahlung zurückhält und das sichtbare, durch die Doppelpfeile angezeigte Licht durchläßt. Im Innern der Vorrichtung besitzen die Infrarotphotonen eine Konzentration, die rasch vom Beginn der Emission an bis zum Erreichen einer Grenze zunimmt, und die in erster Linie von der Absorption durch das Wandlerraaterial und in zweiter Linie von der Absorption durch das Halbleitermaterial abhängt.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall bildet das Wandlermaterial 4 in Richtung der Achse XX eine Halbkugel. Ein Spiegel 70 wird durch Abscheidung eines Stoffs, z.B. Kryolith, auf dem Material 4 in Form einer Schicht erhalten, deren Dicke gleich einem ungeraden Vielfachen des Viertels der von der Diode ausgesendeten Infrarotwellenlänge ist, wobei dieser Stoff sichtbares Licht durchläßt. Die orrichtung wird auf der gegenüberliegenden Seite durch eine reflektierende Wand 71 abgeschlossen, die analog wie die Wand 32 in Fig. 3 bis 6 ausgebildet, jedoch eben ist.

Eine solche Vorrichtung besitzt den Vorteil, nicht richtungsgebunden zu sein, d.h. sie ermöglicht eine Lumineszenz, welche für auf Achsen, wie z.B. XX, YY und ZZ placierte Beobachter gleich ist, mit anderen Worten in einem

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"beliebigen Teil des räumlichen Winkels auf einer Seite von der Ebene der Wand 71.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht im Falle der Vorrichtungen von Fig. 6 und 7 darin, daß man den -Interferenzspiegel durch eine selektiv Infrarot reflektierende diChromatisehe dünne Platte ersetzt, z.B. durch eine Spat platte.

Nachstehend wird ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel für die Grössenordnungen der Abmessungen einer erfindungsgemässen Vorrichtung gegeben. Die Diode überschreitet nicht 0,2 mm in ihrer größten Abmessung und der Durchmesser der Trennoberfläche von Wändlermaterial 4 und Umgebungsluft ( Fig. 3 bis 5 ) liegt bei etwa 2 mm.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Vorrichtungen beschränkt. Außerdem ist sie für die meisten Zwecke verwendbar, bei welchen sichtbares Licht verschiedener Farbe aussendende Vorrichtungen Verwendung finden, z.B.:

Sichtfenster für telefonische Einrichtungen, Bordeinrichtungen von Fahrzeugen und Flugzeugen;

Steuerkonsolen und Geräte zur Informationsfernübertragung; numerische oder alphanumerische Anzeigevorrichtungen; ebene Fernsehschirme mit schwacher Auflösung*

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   .] Energiereiche Photonen emittierende Vorrichtung mit einer Quelle für energiearme Photonen, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle einem Wandlermaterial zugeordnet ist, das energiereiche Photonen aussenden kann und auf welches Refkletoren die energiearmen Photonen richten, wobei diese. Reflektoren gegenüber dieser Quelle so angeordnet sind, daß die energiearmen Photonen eine möglichst lange Bahn in dem Wandlermaterial zur Erhöhung der Volumendichte an energiearmen Photonen in diesem Material beschreiben und daß energiereiche Photonen vorhanden sind, die eine möglichst kurze Bahn in dem Wandlermaterial zurücklegen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Flächendiode ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren an der Aussenfläche eines aus dem Wandlermaterial bestehenden Umdrehungskörpers mit einer Höhe zwischen einer ersten und einer zweiten zur Achse der Oberfläche senkrechten Ebene anliegen, wobei die erste Ebene aus einer energiearme und energiereiche Photonen reflektierenden Wand besteht und die zweite Ebene die energiereichen Photonen in das umgebende Medium austreten läßt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umdrehungskörper ein Zylinder ist.

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5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umdrehungskörper ein Kegelstumpf ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umdrehungskörper ein Paraboloid ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch-gekennzeichnet, daß in der zweiten Ebene ein Spiegel angeordnet ist, der die energiearmen Photonen selektiv reflektiert und die energiereichen Photonen durchtreten läßt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren einmal aus einer Mulde beliebiger Form und zum andern aus einem das Wandlermaterial begrenzenden Fenster bestehen auf das ein selektiv die energiearmen Photonen reflektierender und die energiereichen Photonen durchlassender Spiegel plattiert ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Spiegel ein Interferenzspiegel ist:
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Spiegel eine dünne diChromatisehe Platte ist.
11. 11. Anzeigesystem, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine, Vorrichtung gemäß Anspruch 1 enthält.

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