DE1212635B

DE1212635B - Optischer Sender mit einem Halbleitermedium

Info

Publication number: DE1212635B
Application number: DEL47405A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Karl-Heinz Ullmer; Dr Rer Nat Winfried Moench; Dr Rer Nat Guenter Koehl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-03-25
Filing date: 1964-03-25
Publication date: 1966-03-17

Description

Optischer Sender mit einem Halbleitermedium Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender mit einem Halbleitermedium, der als Lichtquelle für hohe Strahlungsintensität geeignet ist.
Optische Sender mit einem Halbleitermedium weisen bekanntermaßen gegenüber den optischen Sendern anderer Art besondere Vorteile auf. Vor allem ist die Einfachheit der Energieeinspeisung beim optischen Sender mit einem Halbleitermedium ein großer Vorteil, da über die elektrische Energiezuführung in einfacher Weise eine Modulation der Strahlung vorgenommen werden kann.
Wie weiter bekannt ist, besteht ein optischer Sender mit einem Halbleitermedium aus einer Diode, die im Bereich ihres pn-Überganges sehr hoch dotiert ist.
Wenn die Anzahl der stimulierten Emissionsvorgänge größer ist als die Anzahl der Absorptionsvorgänge und groß ist gegenüber der Anzahl spontaner Emissionsvorgänge, dann sind die Bedingungen eines optischen Senders mit einem Halbleitermedium erfüllt. Ein Erhöhen des Betriebsstromes und die damit bewirkte Erhöhung der Ladungsträgerinjektion auf einen Wert oberhalb des Schwellenstromes verursacht eine gleichphasige Strahlungsanregung und die Kohärenz der emittierten Strahlung. Die emittierte Strahlung ist dabei in ihrer Amplitude nicht nur von der zugeführten elektrischen Energie abhängig, sondern auch von der Größe der Fläche des pn-Überganges und der im räumlich ausgedehnten pn-Übergang durch die Reflektorwirkung der zum pn-übergang senkrechten, gegenseitig planparallelen Begrenzungsflächen erzielten stehenden Wellen. Die Strahlung wird senkrecht zu dem an die Oberfläche tretenden pn-übergang in der Ebene der pn-übergangsfläche nach außen emittiert und weist eine der Ausdehnung des an die Oberfläche tretenden pn-überganges gemäße Austrittsfläche auf.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Strahlungsintensität eines optischen Senders mit einem Halbleitermedium gegenüber bekannten Ausführungsformen zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, daß ein pn-Übergang als. Kegelstumpfmantelfläche im Innern eines kegelstumpfförmigen Halbleitermediums ausgebildet ist und daß die symmetrisch zur Kegelachse verlaufenden Abschlußflächen des Mediums den Kegelstumpfmantel bzw. die pn-Übergangsfläche senkrecht schneiden, so daß die pn-Übergänge dieser Schnittfläche einen geschlossenen Kurvenzug bilden.
An Hand von zwei schematischen Darstellungen in den F i g. 1 und 2 wird die Erfindung erläutert.
Ein kegel- oder kegelstumpfförmiger, vorzugsweise rotationssymmetrischer Körper 1 aus p- oder n-leitendem Halbleitermaterial wird in einem der bekannten Diffusions-, Legierungs- oder Epitaxieverfahren behandelt. Beispielsweise entsteht beim Diffusions-bzw. Legierungsverfahren in einer zu bestimmenden Tiefe unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein in sich vollständig geschlossener pn-Übergang 2 als genaue Abbildung der vom Halbleiterkörper vorgegebenen äußeren Form. Mit einer bei der mechanischen Bearbeitung von Halbleiterelementen bereits bewährten Methode wird der kegelstumpf- oder kegelförmige, rotationssymmetrische Halbleiterkörper in der Weise bearbeitet, daß gemäß der Schnittlinie 3 und 4 der in sich geschlossene pn-übergang an den beiden Abschlußflächen als kreisförmiger, geschlossener Kurvenzug 2' an die Oberfläche tritt. Die pn-übergangsfläche weist somit die Form eines Kegelstumpfmantels auf. Die gegebene Form des Halbleiterkörpers legt mit dessen entsprechender pn-Übergangsfläche und deren Ausdehnung eine große abstrahlende Fläche fest.
Die Verlängerung der die Strahlung emittierenden pn-Übergangsfläche läuft auf einen Punkt A zusammen, der in der Kegelspitze des vom stumpfkegelmantelförmigen pn-übergang gebildeten Kegels liegt, so daß sich in manchen Verwendungsfällen eine weitere Fokussierung erübrigt oder zumindest vereinfacht.
Die Abschlußflächen 3' und 4' des Kegelstumpfes werden mit Vorteil so behandelt, daß sie senkrecht zur pn-Übergangsfläche und parallel zur jeweils gegenüberliegenden Abschlußfläche liegen. Durch geeignetes Verspiegeln der Abschlußflächen 3' und 4' wird erreicht, daß die große Abschlußfläche 4' des Halbleiterkörpers 1 teilweise oder vollständig reflektierend und die kleine konkave Abschlußfläche 3' des Halbleiterkörpers 1 nicht oder stets geringer reflektierend als die große Abschlußfläche ist. Die spezielle Ausbildung der Begrenzungsflächen des Kegelstumpfes erzielt bei stetigem Betrieb eine innere optische Kopplung der stimulierten Strahlung.
Diese innere optische Kopplung kann auch durch eine optische Strahlungsumlenkung und Strahlungsrückführung erzwungen werden. Auf der divergenten Seite B des Halbleiterkörpers 1 kann in vorteilhafter Weise ein bifokales optisches System zur Umlenkung durch Reflexion der emittierten Strahlung in der Weise angebracht werden, daß die emittierte Strahlung erfindungsgemäß in den pn-übergang an anderer Stelle zurückgekoppelt wird.
Ein solches bifokales optisches System, das die geforderten Bedingungen erfüllt, ist ein Ellipsoid bzw. ein Teilellipsoid. Das Ellipsoid ist vorteilhaft so ausgebildet, daß der durch den kegelstumpfförmigen Halbleiterkörper 1 vorgegebene Brennpunkt A zugleich einen der beiden Brennpunkte des Ellipsoids darstellt und daß der zweite Brennpunkt B, B' oder B" des Ellipsoids auf der Rotationssymmetrieachse des kegelförmigen Halbleiterkörpers 1 liegt, wobei die emittierte Strahlung längs eines Kreises, der, senkrecht zur Rotationssymmetrieache gelegen, mit B, B' oder B" als Mittelpunkt durch die Punkte C, C oder C" und D, D' oder D" verläuft, am Ellipsoid mit den Brennpunkten A und B, B' oder B" reflektiert wird. Der BrennpunktB, B' oder B" liegt stets außerhalb des optischen Senders.
Der Abstand der beiden Brennpunkte A und B des Ellipsoids ist mindestens gleich der Ausdehnung des kegelförmigen Halbleiterkörpers 1 längs der Rotationssymmetrieachse.
Das kleinste die Bedingungen erfüllende Ellipsoid bestimmt sich somit aus dem durch den Halbleiterkörper vorgegebenen Winkel des Kegels und dem Abstand der beiden Brennpunkte A und B, von denen der Brennpunkt A durch den Halbleiterkörper fest vorgegeben und der Brennpunkt B . außerhalb des Halbleiterkegels auf der Symmetrieachse desselben in entsprechender Weise wählbar ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Optischer Sender mit einem Halbleitermedium, dessen@pn-übergangszone eine geschlossene Mantelfläche bildet, d a d u r c h g e k e n n -zeichnet, daß der pn-übergang als Kegelstumpfmantelfläche (2) im Innern eines kegelstumpfförmigen Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist und daß die symmetrisch zur Kegelachse (A-B) verlaufenden Ab5chlußflächen (3' und 4') des Halbleiterkörpers (1) den Kegelstumpfmantel bzw.. die pn-übergängsfläche (2) senkrecht schneiden, so daß die pn-überg'änge .dieser Schnittflächen (3', 4') einen geschlossenen Kurvenzug (2') bilden.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die große konvexe Abschlußfläche (4') des Halbleiterkörpers (1) durch geeignete Verspiegelung teilweise oder vollständig reflektierend ist.
3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine konkave Abschlußfläche (3') des Halbleiterkörpers (1) durch geeignete Verspiegelung stets geringer reflektierend ist als die große Abschlußfläche (4').
4. Optischer Sender nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem bifokalen optischen System auf der divergenten Seite (B) des Halbleiterkegelstumpfes (1) erzielte äußere Strahlungsumlenkung und Reflexion eine innere optische Kopplung der Strahlung erzwingt.
5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bifokale optische System ein Ellipsoid bzw. ein Teilellipsoid ist.
6. Optischer Sender nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsoid durch den vom kegelstumpfförmigen Halbleiterkörper (1) vorgegebenen Brennpunkt (A), der zugleich der eine Brennpunkt des Ellipsoids ist, und durch einen zweiten, außerhalb auf der Rotationssymmetrieachse des kegelförmigen Halbleiterkörpers (1) liegenden Brennpunkt (B) bestimmt ist.
7. Optischer Sender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Brennpunkte (A und B) des Ellipsoids mindestens gleich der Ausdehnung des kegelförmigen Halbleiterkörpers (1) längs der Rotationssymmetrieachse ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr.1052 563; »Elektro-Technik« vom 13. 4. 1963, Nr.10, S. 12 bis 14.