DE1156894B

DE1156894B - Method and apparatus for modulating a light beam

Info

Publication number: DE1156894B
Application number: DEJ18704A
Authority: DE
Inventors: Cyril Francis Drake
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1959-09-18
Filing date: 1960-09-13
Publication date: 1963-11-07

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Modulieren eines Lichtstrahls Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modulieren eines Lichtstrahls, bei dem die optischen Eigenschaften eines Halbleiterkörpers mit pn-Übergang durch ein angelegtes Signal geändert werden.Method and apparatus for modulating a light beam The invention relates to a method of modulating a light beam in which the optical Properties of a semiconductor body with a pn junction due to an applied signal be changed.

Zu diesem Zwecke sind Modulationsverfahren bekanntgeworden, bei denen ein elektrisches Signal an einen Halbleiterkörper mit pn-Übergang angelegt und dadurch die Absorption des Halbleiterkörpers geändert wird. Diese bekannten Verfahren haben jedoch verschiedene Nachteile: Einmal sind sie nur für infrarotes Licht mit mehr als 1,2 u Wellenlänge verwendbar und außerdem muß der Lichtstrahl ini Halbleiterkörper mehrfach reflektiert werden.For this purpose, modulation methods have become known in which an electrical signal is applied to a semiconductor body with a pn junction and thereby the absorption of the semiconductor body is changed. These known methods have However, several disadvantages: Once they are only available for infrared light with more usable as a 1.2 u wavelength and, moreover, the light beam must be in a semiconductor body be reflected several times.

Diese Nachteile werden durch das vorliegende Verfahren überwunden, das auch zur Modulation sichtbaren Lichtes geeignet ist.These disadvantages are overcome by the present method, which is also suitable for modulating visible light.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß der zu modulierende Lichtstrahl an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit einer großen Anzahl von pn-übergängen reflektiert wird, daß an die pn-übergänge eine Vorspannung so angelegt wird, daß sie stets in Sperrichtung gepolt sind, und daß das modulierende Wechselstronisignal an die in Sperrrichtung gepolten pn-übergänge angelegt wird.The method according to the invention is that the to be modulated Light beam on the surface of a semiconductor body with a large number of pn junctions is reflected that a bias voltage is applied to the pn junctions is that they are always polarized in the reverse direction, and that the modulating AC signal is applied to the reverse biased pn junctions.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Modulationsverfahrens dargestellt, und Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Modulieren eines Lichtstrahls unter Verwendung von zwei Vorrichtungen.The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. 1 shows an apparatus for carrying out the modulation method, and FIG. 2 shows an arrangement for modulating a light beam using two apparatuses.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Halbleiterkörper 1 vom n-Typ, in dem eine Anzahl von Zonen 2 bis 4 mit p-Leitung erzeugt wurden. Die Zonen 2 bis 4 haben die Form von parallelen Streifen, die an einem Ende durch eine weitere Zone 5 mit p-Leitung verbunden sind und die längs ihrer größten Ausdehnung durch Zonen vom n-Typ 6 bis 8 voneinander getrennt sind. An den Halbleiterkörper 1 bzw. an der Zone 5 mit p-Leitfähigkeit sind die ohmschen Kontakte 10 bzw. 11 angebracht.The device shown in FIG. 1 consists of a semiconductor body 1 of the n-type, in which a number of zones 2 to 4 with p-conduction have been produced. The zones 2 to 4 are in the form of parallel strips which are connected at one end by a further zone 5 with p-type conduction and which are separated from one another along their greatest extent by zones of the n-type 6 to 8. The ohmic contacts 10 and 11 are attached to the semiconductor body 1 or to the zone 5 with p-conductivity.

Fällt ein Lichtstrahl auf die durch die Linien 12-13 sowie 14-15 (Fig. 1) begrenzte Oberfläche der Halbleitervorrichtung und wird ein elektrisches Wechselstromsignal an die ohmschen Kontakte 10 und 11 gleichzeitig mit einer dauernden Vorspannung genügender Größe angelegt, so daß die Übergänge zwischen, den Streifen 2 bis 4 vom p-Typ und den Streifen 6 bis 8 vom n-Typ stets in Sperrichtung gepolt sind, dann wird das von der modulierenden Oberfläche reflektierte Licht mit der Frequenz moduliert, die dem elektrischen Signal entspricht. Die Ursache für den Modulationseffekt ist folgende: Der Rellexionskoeffizient der Oberfläche eines Halbleiterkörpers bezüglich des sichtbaren oder infraroten Lichtes ändert sich mit der Anzahl der vorhandenen freien Ladungsträger und daher mit dem Widerstand. Bei dem Übergang zwischen den Zonen vom n-Typ und vom p-Typ sind in einem schmalen Gebiet, das als Raumladungszone bezeichnet wird, immer sehr viele freie Ladungsträger vorhanden. Die Größe dieses Gebietes hängt von dem Widerstand des n-Materials und des p-Materials ab und von dem Gradienten der überschüssigen Störstellenkonzentration in der Umgebung des Überganges. Es kann dadurch vergrößert werden, daß der Übergang eine Vorspannung in Sperrichtung erhält. Da dies bedeutet, daß die freien Ladungsträger aus dem Teil des Halbleitermaterials, das sich an den Übergang anschließt, entfernt werden müssen, ändert sich an diesen Stellen dadurch der Reflexionskoeffizient, und er kann in der Weise moduliert werden, daß eine wechselnde Sperrspannung an den Übergang angelegt wird. Zum Modulieren können Signale mit Frequenzen bis 1000 MHz verwendet werden.If a light beam falls on the surface of the semiconductor device bounded by the lines 12-13 and 14-15 (Fig. 1) and an electrical alternating current signal is applied to the ohmic contacts 10 and 11 simultaneously with a permanent bias voltage of sufficient magnitude so that the transitions between , the strips 2 to 4 of the p-type and the strips 6 to 8 of the n-type are always polarized in the reverse direction, then the light reflected from the modulating surface is modulated with the frequency which corresponds to the electrical signal. The reason for the modulation effect is as follows: The reflection coefficient of the surface of a semiconductor body with regard to visible or infrared light changes with the number of free charge carriers present and therefore with the resistance. At the transition between the n-type and p-type zones, a large number of free charge carriers are always present in a narrow area, which is referred to as the space charge zone. The size of this area depends on the resistance of the n-material and the p-material and on the gradient of the excess impurity concentration in the vicinity of the junction. It can be increased by biasing the junction in the reverse direction. Since this means that the free charge carriers have to be removed from the part of the semiconductor material which adjoins the junction, the reflection coefficient changes at these points and it can be modulated in such a way that a changing reverse voltage is applied to the junction is created. Signals with frequencies up to 1000 MHz can be used for modulating.

Wenn eine Oberfläche auf diese Weise zum Modulieren eines Lichtstrahls verwendet wird, so kann eine genügend starke Modulation nur dann erhalten werden, wenn ein bestimmter Prozentsatz der modulierenden Oberfläche mit Raumladungszonen bei der maximalen Amplitude des modulierenden Signals bedeckt ist. Die maximale Modulationsstärke ist danii vorhanden, wenn die Breite der Streifen 2 bis 4 und 6 bis 8 so groß ist, daß die ganze modulierende Oberfläche mit Raumladungsgebieten bedeckt werden kann, obwohl es in der Praxis genügt, wenn 50 bis 90%. der Oberfläche damit bedeckt sind.When a surface is used to modulate a light beam in this way, a sufficiently strong modulation can only be obtained if a certain percentage of the modulating surface is covered with space charge zones at the maximum amplitude of the modulating signal. The maximum modulation strength is present when the width of the strips 2 to 4 and 6 to 8 is so large that the entire modulating surface can be covered with space charge areas, although in practice it is sufficient if 50 to 90%. the surface are covered with it.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung haben die Streifen 2 bis 4 und 6 bis 8 je eine Breite von 0,025 mm. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, einen Lichtstrahl von 1 cm Durchmesser zu modulie,ren, stellt die Vorrichtung von Fig. 1 nur einen kleinen Ausschnitt aus der tatsächlich verwendeten großen Anzahl von Streifen dar.In the device shown in Fig. 1 , the strips 2 to 4 and 6 to 8 each have a width of 0.025 mm. For example, if it is desired to modulate a light beam 1 cm in diameter, the device of FIG. 1 represents only a small section of the large number of strips actually used.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Modulieren eines Lichtstrahls, bei der zwei Vorrichtungen nach Fig. 1 benötigt werden. Die in Fig. 2 mit 17 und 18 bezeichneten Halbleitervorrichtungen sind so angeordnet, daß die modulierenden Oberflächen 19 und 20 paraUel zueinander verlaufen und einander zugewandt sind.FIG. 2 shows an arrangement for modulating a light beam, in which two devices according to FIG. 1 are required. The semiconductor devices designated 17 and 18 in Fig. 2 are arranged so that the modulating surfaces 19 and 20 are parallel to and face one another.

Im Betrieb wird das gleiche Wechselstromsignal an die Übergänge in den beiden modulierenden Oberflächen 17 und 18 angelegt. Der einfallende Lichtstrahl wird zweimal von der Oberfläche 19 und einmal von der Oberfläche 20 reflektiert, wie dies dargestellt ist. Durch die mehrfache Reilexion wird die Modulation in folgender Weise verstärkt: Wenn eine Oberfläche einen Rellexionskoeffizienten x für den Zustand ohne Vorspannung und einen Rellexionskoeffizienten von (x -1 A x) für den Zustand mit Vorspannung hat, dann ist der Prozentsatz der Modulation Bei Reflexionen wird dieser Prozentsatz erhöht auf etwa Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besteht die modulierende Oberfläche aus einer Reihe von schmalen Streifen 2 bis 4 mit p-Leitung, die durch eine Zone 5 nüt p-Leitung verbunden sind. Die Zone 5 ist jedoch nicht wesentlich, und die Streifen 2 bis 4 können auch vollständig voneinander durch n-leitendes Material getrennt sein. In diesem Falle wird jeder Streifen mit einem ohmschen Kontakt versehen, und die Kontakte sind im Betrieb parallel geschaltet.In operation, the same AC signal is applied to the junctions in the two modulating surfaces 17 and 18 . The incident light beam is reflected twice from surface 19 and once from surface 20, as shown. The multiple reflection amplifies the modulation in the following way: If a surface has a reflection coefficient x for the condition without bias and a reflection coefficient of (x -1 A x) for the condition with bias, then the percentage of modulation is In the case of reflections, this percentage is increased to approx In the device shown in Fig. 1 , the modulating surface consists of a series of narrow strips 2 to 4 with p-line, which are connected by a zone 5 nut p-line. The zone 5 is not essential, however, and the strips 2 to 4 can also be completely separated from one another by n-conducting material. In this case, each strip is provided with an ohmic contact and the contacts are connected in parallel during operation.

Die p-Zonen müssen nicht unbedingt die Form von Streifen mit parallelen Seitenkanten haben, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, sondern sie können auch kreisförmig sein oder irgendeine andere geeignete Form haben und entweder durch eine zusätzliche p-Zone zusammengeschaltet oder voneinander isohent sein. Die einzige Bedingung ist die, daß zum Zwecke einer genügend starken Modulation die Ab- messungen der Zonen so gewählt werden müssen, daß ein wesentlicher Teil der modulierenden Oberfläche mit Raumladungszonen bedeckt ist, wenn die Übergänge eine Vorspannung in Sperrichtung erhalten.The p-zones need not necessarily be in the form of strips with parallel side edges, as shown in Fig. 1 , but they can also be circular or any other suitable shape and either interconnected by an additional p-zone or be isohentous to one another . The only condition is that the purpose of a sufficiently strong modulation of the exhaust measurements of the zones must be chosen such that a substantial portion of the modulating surface is covered with space charge zones when the transitions receive a reverse bias.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. A method for modulating a light beam in which the optical properties of a semiconductor with a pn junction can be changed by an applied signal, characterized in that the light beam to be modulated is reflected on the surface of a semiconductor body with a large number of pn junctions, that a bias voltage is applied to the pn junctions in such a way that they are always polarized in the reverse direction, and that the modulating alternating current signal is applied to the pn junctions polarized in the reverse direction.

2. The method according spoke 1, characterized in that the light beam to be modulated is reflected several times between surfaces of semiconductor bodies with pn junctions polarized in the reverse direction. 3. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 and 2, characterized in that a large number of zones with p-line and n-line are arranged on the surface of a semiconductor body and the zones are designed so that when an alternating current signal is applied at the transitions between the p- and n-zones, which are polarized in the reverse direction, at the maximum amplitude of the signal, the space charge zones formed cover a substantial part of the surface of the semiconductor body. 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the smallest dimension of each zone is equal to the maximum width of the space charge zones, which can be formed by the bias of the transition between this zone and the adjacent zone in the reverse direction. 5. Apparatus according to claim 3 and 4, characterized in that the zones of one line type are connected in parallel. 6. Apparatus according to claim 3 to 5, characterized in that the modulating surface of the semiconductor body consists of a series of parallel strips of p-conducting and n-conducting semiconductor material. 7. Device according to spoke 5 and 6, characterized in that all strips of a line type are connected to one another by a zone of the same line type outside the modulating surface. References considered: U.S. Patent Nos. 2,692,950, 2,692,652.