DE1236075B - Einrichtung und Verfahren zur Modulation von insbesondere infrarotem Licht - Google Patents

Description

• Einrichtung und Verfahren zur Modulation von insbesondere infrarotem Licht Es besteht häufig, vor allem in der Nachrichtentechnik, ein großes Interesse an einer Lösung der Aufgabe, die Amplitude eines Lichtstrahles zu modulieren. Besondere Bedeutung hat eine Lösung für den Fall, daß scharf gebündeltes infrarotes Licht von einigen um Wellenlänge, das von sogenannten »Molekular«-Verstärkern, die allgemein unter dem Begriff »Laser« bekannt sind, ausgesandt wird, als Trägerwelle für die gleichzeitige übertragung vieler Nachrichten moduliert werden soll. Bisher kamen für diese Zwecke der Lichtmodulation praktisch nur der Kristall-Kerr-Effekt und die steuerbare Absorption, z. B. in Halbleiterkörpern, in Frage.
• Die Erfindung geht einen anderen Weg, indem sie zur Modulation von insbesondere infrarotem Licht das entsprechend der gewünschten Modulation elektrisch gesteuerte Reflexionsvermögen von Halbleiterkristallen ausnutzt.
• Es ist bereits bekannt, daß dotierte Halbleiter auch Licht reflektieren können, dessen Frequenz kleiner ist als die dem Bandabstand des Halbleiters entsprechende Frequenz, und daß diese Reflexion an der Oberfläche von insbesondere hochdotierten Halbleitern von der Dichte der freien Ladungsträger im Halbleiterkristall abhängig ist. Hall hat in J. opt. Soc. Am., 50, 1960, S. 717, für Lichtfrequenzen mit einer Wellenlänge bis zu etwa 15 #um die Abhängigkeit der Reflexion an hoch bor-dotiertem Silizium angegeben; Spitzer und W h e 1 a n haben in Phys. Rev., Bd. 114, Nr. 1, 1959, S.59, Ergebnisse über Untersuchungen unter anderem über das Reflexionsverhalten an hoch n-dotiertem Galliumarsenid bis zu Wellenlängen von etwa 30 tim veröffentlicht.
• In Phys. Rev., Bd. 107, 1957, S. 1193 und 1194, ist angegeben worden, daß Licht, das von Germanium reflektiert wird, durch Injektion von Ladungsträgern zu modulieren sei, und zwar entweder in der Nähe eines Metallspitzenkontaktes oder an einem pn-Übergang.
• Diese Eigenschaften dotierter Halbleiterkristalle werden bei der die Erfindung betreffenden Anordnung zur Modulation von insbesondere infrarotem Licht, vorzugsweise für die Nachrichtenübertragung, genutzt, indem in einem Halbleitereinkristall die Zahl der freien Ladungsträger an der Stelle, an der das zu modulierende Licht auf den Halbleiterkristall auftrifft, und somit das Reflexionsvermögen dieses Halbleiters an bezeichneter Stelle für das auftreffende Licht elektrisch, entsprechend der gewünschten Modulation, gesteuert wird.
• Die obenerwähnte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dieser Anordnung erfindungsgemäß eine das Reflexionsvermögen der das Licht reflektierenden Schicht durch Erzeugen von freien Ladungsträgern vergrößernde Vorspannung verwendet wird.
• In einer wie oben bezeichneten Anordnung ist der Halbleiter an der Reflexionsstelle des Lichtes bereits dotiert, jedoch in einem Maße, das für das erwünschte Reflexionsvermögen bei der Modulation des Lichtes nicht ausreicht. Durch diese Dotierung wird lediglich ein Mindestreflexionsvermögen des Halbleitereinkristalls an der Reflexionsstelle sichergestellt. Durch das erfindungsgemäße Anlegen elektrischer Gleichspannung wird die Zahl der freien Ladungsträger weiter erhöht. Die gesamte Erhöhung wird durch die Steuerung der elektrischen Gesamtspannung als Summe der Gleich- und Wechselspannung enstprechend der gewünschten Modulation des Lichtes geändert. Dabei kann durch die elektrische Steuerung an der Reflexionsstelle nicht nur die Zahl der Majoritätsträger, sondern auch die Zahl der Minoritätsträger erhöht werden.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen der F i g. 1 bis 4 hervor. In der F i g. 1 besteht der Halbleitereinkristall 10 aus zwei Schichten 11,12 von denen die dickere Schicht 11 stärker p-dotiert ist (pes) als die andere dünnere, jedoch ebenfalls p-dotierte Schicht 12. Auf diese Schicht 12 trifft der Lichtstrahl 13 auf und wird von ihr reflektiert (Lichtstrahl 14). Die Schicht 12 ist sperrschichtfrei mit einer netzartigen oder in anderer Weise, z. B. entsprechend F i g. 3, geformten Metallelektrode 2 versehen, die einen Teil der Oberfläche der Schicht 2 frei läßt. Diese von der Elektrode 2 frei gelassenen Teile der Schicht 12 reflektieren also den ankommenden Strahl 13 entsprechend ihrer freien Ladungsträgerdichte. Diese Ladungsträgerdichte ist von dem Strom abhängig, der durch den Halbleiterkristall 10 von der Vorspannungsquelle 15 über die sperrfrei auf den Halbleiter aufgebrachte Elektrode 3 durch den Halbleiter 10 über die Gegenelektrode 2 und den Widerstand 16 fließt. Parallel zum Widerstand 16 liegt über einem Widerstand 18 die Modulationsspannungsquelle 17, so daß der durch den Halbleiter 10 fließende Strom entsprechend den Schwankungen der Spannungsquelle 17 moduliert ist. Die Schicht 12 ist vorzugsweise so dünn, daß ihre Dicke kleiner ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger, die von der hochdotierten Schicht 11 zur Schicht 12 fließen. Dadurch ist die Dichte der Ladungsträger auch an der der Schicht 11 abgewendeten Seite der Schicht 12 von der durch den Halbleiter 10 fließenden Stromstärke abhängig, die entsprechend der Modulationsspannung 17 schwankt. Der vom Halbleiter 10 reflektierte Lichtstrahl 14 ist also im Takt der Modulation 17 moduliert.
• Um einen hohen Wirkungsgrad der so erzielten Steuerung des Reflexionsvermögens des Halbleiters zu erreichen, muß die Dichte der Ladungsträger an den Reflexionsstellen des Halbleiterkristalls groß sein; bei Silizium beträgt sie insbesondere mindestens etwa 1016 freie Ladungsträger pro Kubikzentimeter. Ferner ist es wichtig, durch geeignete Wahl des Halbleitermaterials der Dotierung bzw. der Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes dafür zu sorgen, daß die Diffusionslänge der freien Ladungsträger in dem Halbleitereinkristall größer ist als die Wellenlänge des Lichtes.
• Wie bereits ausgeführt, kann die Zahl der freien Ladungsträger, die für das Reflexionsvermögen des Halbleiterkristalls maßgebend ist, auch dadurch gesteuert werden, daß in eine Schicht von bestimmtem Leitfähigkeitstyp Minoritätsladungsträger injiziert werden. Eine solche Einrichtung ist in F i g. 2 gezeigt. In ihr ist der Halbleiterkristall 20 aus zwei Schichten 21 und 22 gebildet, von denen die dünnere und relativ schwächer, z. B. p-leitfähig, dotierte Schicht 22, wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 1, als Reflexionsschicht dient. Die andere Schicht 21 des Halbleiterkristalls 20 ist dicker und ist entgegengesetzt, z. B. n+, dotiert. Wie im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1, ist der Halbleiter mit den sperrschichtfrei aufgebrachten Elektroden 2 und 3 versehen. Die Schaltung in der F i g. 2 entspricht der Schaltung in F i g. 1. Die bei Anlegen der Vorspannung 15 und der Modulationsspannung 17 aus der n+-Schicht 21 in die p-Schicht 22 injizierten Minoritätsladungsträger diffundieren infolge der ausreichend geringen Dicke der Schicht 22 bis an die von der Elektrode 2 freigelassenen Oberflächenteile der Schicht 22 und ändern dort das Reflexionsvermögen des Halbleiters für die verwendeten Lichtstrahlen.
• Die Dotierung der Reflexionsschichten 12 bzw. 22 wird vorzugsweise so hoch gewählt, daß die durch sie bedingte freie Ladungsträgerdichte an der reflektierenden Oberfläche des Halbleiters 10 bzw. 20 für die zu modulierenden Lichtstrahlen nur ein geringes Reflexionsvermögen von höchstens 10 bis 20 % bedingt. Die Höhe der Vorspannung 15 und die Dotierung der Emissionszonen 11 bzw. 21 werden ferner so hoch gewählt, daß durch sie bei fehlender Modulationsspannung das Reflexionsvermögen auf etwa 30 bis 50 % steigt. Und schließlich ist die maximale Modulationsspannung 17 vorteilhafterweise so zu bemessen, daß bei ihr das Reflexionsvermögen nicht bis auf den durch die Dotierung der Reflexionszonen bedingten Wert absinkt. Insbesondere empfiehlt es sich, bei solchen Halbleitern, bei denen, wie bei Gas, das Reflexionsvermögen für eine bestimmte Lichtfrequenz mit steigender Ladungsträgerdichte je nach der Wahl der Höhe der Dotierung fallen oder steigen kann, diese Dotierung so zu wählen, daß das Reflexionsvermögen für die zu modulierenden Lichtstrahlen dieser Frequenz mit der freien Ladungsträgerzahl steigt.
• Bei einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes (s. F i g. 4) ist ein langgestreckter, z. B. n-dotierter Halbleiterkristall 40 beidseitig mit zwei sperrschichtfrei aufgebrachten Basiselektroden 44, 45 versehen. Durch ihn fließt im Betrieb ein Majoritätsträgerstrom entsprechend der Polarität der angelegten Spannung 43. Zwischen den beiden Basiselektroden ist auf dem Halbleiter in der Nähe der einen Basiselektrode 44 der Emitter 41 angebracht, z. B. einlegiert, dessen p-dotierte Zone 41' über die Vorspannungsquelle 15 an dem Widerstand 16 liegt, an dem von der Modulationsquelle 17 über den Kondensator 18 eine der Modulationsfrequenz entsprechende Spannung erzeugt wird. Von dem Emitter 41 werden also Minoritätsladungsträger in den Halbleiterkristall 40 injiziert, die längs des Spannungsgefälles zur Basiselektrode 45 hinwandern und auf ihrem Wege auch die Zahl der freien Ladungsträger an der Reflexionsstellen 42 entsprechend den Schwankungen der Modulationsspannungsquelle 17 ändern. Der auf der Reflexionsstelle 42 auftreffende Lichtstrahl wird also entsprechend dem sich dadurch ändernden Reflexionsvermögen des Halbleiterkristalls 40 verschieden reflektiert, so daß der reflektierte Strahl 14 in der gewünschten Weise moduliert ist.
• Als Halbleiterkristalle eignen sich besonders vorteilhaft Germanium- oder Siliziumeinkristalle oder Einkristalle aus der Gruppe der Al"Bv_Verbindungen. Es empfiehlt sich ferner, daß das Halbleitermaterial außer den zur Dotierung dienenden Stoffen möglichst wenig weitere Fremdstoffe enthält, weil dadurch die Diffusionslänge der Ladungsträger nicht unnötig über das durch die Dotierung bedingte Maß hinaus herabgesetzt wird. Die Halbleiterzonen des Einkristalls, aus denen Ladungsträger in die reflektierenden Zonen 12, 22, 40 injiziert werden, werden schließlich vorteilhafterheise bis zur Entartung dotiert.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung zur Modulation von insbesondere Infrarotlicht, vorzugsweise für die Nachrichtenübertragung, bei der durch elektrische Steuerung der Zahl der freien Ladungsträger in einem Halbleiterkristall an der Stelle, an der das zu modulierende Licht auf den Halbleiterkristall auftrifft, das Reflexionsvermögen des Halbleiters für das Licht geändert wird, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h die Verwendung einer das Reflexionsvermögen der das Licht reflektierenden Schicht durch Erzeugen von freien Ladungsträgern vergrößernden Vorspannung (15). 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkristall an eine dotierte Reflexionsschicht (12, 22) eine stärker dotierte Halbleiterschicht (11 bzw. 21) angrenzt, aus der freie Ladungsträger in die Reflexionszone injiziert werden (F i g. 1 und 2). 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der relativ schwach dotierten Schicht (12, 22) kleiner ist als die Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger (F i g. 1 und 2). 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Halbleiterkristall (40), in den von einem Emitter (41) Minoritätsträger injiziert werden, die auf ihrem Weg durch den langgestreckten Ladungsträger an der Reflexionsstelle (42) für das zu modulierende Licht das Reflexionsvermögen des Halbleiterkristalls ändern (F i g. 4). 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall ein Einkristall ist. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium oder Germanium ist oder der Gruppe der AHIBv_Verbindungen angehört. 7. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der angelegten elektrischen Spannung die Zahl der Majoritätsträger in der Reflexionszone (12) erhöht wird (F i g. 1). B. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der angelegten elektrischen Spannung die Zahl der Minoritätsträger in der Reflexionszone (22, 40) erhöht wird (F i g. 2, 3). In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 929 923; Physical Review, 1957, August, S. 1193 und 1194.