DE2049909A1

DE2049909A1 - Festkorperabtastsystern

Info

Publication number: DE2049909A1
Application number: DE19702049909
Authority: DE
Inventors: Carl Petes Stortford Hertfordshire Sandbank (Großbritannien)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1969-10-21
Filing date: 1970-10-10
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR2066301A5; ZA705126B; BE757764A; GB1280545A; US3656837A

Description

Deutsche ITT Industries GmbF, C.P.Sandbank -

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str.19 Pat.Go/Th/Wi

8. Oktober 1970

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG,

FREIBURG I.BR.

Festkörperabtastsystem %

Die Priorität der Anmeldung Nr. 51 474/69 vom 21. Oktober 1969 in Großbritannien wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf Festkörperabtastsysteme unter Verwendung von Halbleiterelementen mit Halbleitermaterial, welches Hochfeldinstabilitätseffekte zeigt.

Wird ein Körper aus piezoelektrischem Halbleitermaterial, beispielsweise Kadmiumsulfid, einem konstanten elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen ^ Schwingungsanteil, dessen Frequenz vom Durchgang der Raum- ™ ladungsverteilung, d.h. einer Hochfelddomäne, zwischen den Kontaktflächen des Körpers bestimmt wird. Die Hochfelddomänen werden durch akustische Verstärkungsprozesse im Halbleitermaterial erzeugt, welche plötzliche Stromsättigungseffekte und den Einfang der Elektronen in einer sich fortpflanzenden Domäne von großer akustischer Stärke bewirken. Von dieser Erscheinung wurde von W.H. Haydl und C.F.Quate (Stanford University Microwave Laboratory Report - M.L. 1403, Jan. 1966) für Kadmiumsulfid berichtet.

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Die Schwingungsfrequenz ist in erster Linie durch die Länge des Strompfades durch den Körper gegeben.

Der hier benutzte Ausdruck "Halbleitermaterial mit Hochfeldinstabilitätseffekten" umfaßt jedes Material, das den in den vorstehenden Abschnitten beschriebenen Effekt oder eine ähnliche Domänentransporterscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen Mechanismus beruhen kann.

Der Wert der angelegten Feldstärke, unterhalb der ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellwert bezeichnet. Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an irgendeinem Punkt innerhalb des Körpers aufgrund der Wirkung eines Eingangssignals während einer kürzeren Zeit als die Laufzeit der Instabilität (die durch die Länge des Körpers und die Geschwindigkeit der sich fortpflanzenden Hochfelddomäne gegeben ist) zwischen den zwei Flächenkontakten, an die das Feld angelegt wird, über den Schwellwert gebracht, dann wird der von der äußeren Quelle der Potentialdifferenz durch den Kö sr bewirkte Stromfluß einen einzelnen Ausschlag über den ohmschen Stromwert erleiden, so daß sich ein leistungsverstärkter Ausgangsimpuls ergibt. Der ohmsche Stromwert wird als der Stromwert bezeichnet, bei dem die Elektronen sich im Zustand bei niedriger Feistärke befinden.

Um den im vorigen Abschnitt beschriebenen Einzelimpulsbetrieb zu erhalten, muß der Stationärwert des angelegten Feldes, das vermöge eines Eingangssignales während einer kürzeren Zeit als die Laufzeit der Instabilität über den Schwellwert gebracht wurde, einen unteren Schwellwert überschreiten, der experimentell bei vorgegebenem Material als

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charakteristisch zwischen 50 % und 75 % des Schwellwertes liegend ermittelt wurde. Der Stationärwert des Feldes kann ununterbrochen oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung im Bauelement impulsförmig angelegt werden.

Die Erfindung betrifft ein Festkörperabtastsystem mit einem Halbleiterkörper, der aus einem Material mit Hochfeldinstabilitätseffekten besteht und in dem eine sich fortpflanzende Hochfelddomäne erzeugt ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich dieses Festkörpersystern durch eine Vorrichtung zur Beobachtung der durch die sich fortpflanzende Hochfelddomäne bewirkten Störungen des Reliefprofils der Halbleiteroberfläche aus.

Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Halbleiter, beispielsweise Kadmiumsulfid (CdS), ZnO oder anderen Il-VI-Verbindungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert in der

die Fig. 1 schematisch ein Halbleiterelement und

die Fig. 2 schematisch ein Festkörperabtastsystem nach der Erfindung zeigen.

Das aktive Halbleiterelement nach der Fig. 1, beispielsweise aus einem piezoelektrischen Halbleitermaterial wie Kadmiumsulfid, besteht aus einem parallelflächigen Körper 1 mit an seinen Endflächen befestigten Flächenkontakten 2. Zum Anlegen einer Potentialdifferenz von einstellbarem Wert an die Flächenkontakte 2 wird eine in der Zeichnung nicht gezeigte einseitig gerichtete Stromquelle verwendet. Zur Ab-

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leitung irgendeiner Schwingungskomponente des durch den Körper 1 fließenden Stromes würde sich der Ausgangskreis anschließen.

Die in obigen Abschnitten beschriebene Erscheinung äußert sich durch das Auftreten einer Schwingungskomponente des durch den Körper 1 fließenden Stromes in dem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausgangskreis, sobald die von der einseitig gerichteten Stromquelle über den Kristall angelegte Potentialdifferenz einen kritischen Wert überschreitet. Die Eigenschwingfrequenz steht unmittelbar mit der Länge L (typisch ist 1 cm für Cd.S) des Körpers 1 in Beziehung und liegt in der Größenordnung von 0,2 MHz.

In der Praxis ist die zwischen die Flächenkontakte 2 angelegte Potentialdifferenz im allgemeinen ein experimentell ermittelter Bruchteil der zum Hervorrufen eines Selbstschwingens erforderlichen und wird derartig gewählt, daß eine mittels einer äußeren Quelle überlagerte oszillierende Schwingungsform oder ein Steuerimpuls den Körper 1 kurzzeitig während jeder Periode der Eingangsfrequenz zum Selbstschwingen bringt; der Spitzenwert der oszillierenden Signalspannung hebt, mit anderen Worten ausgedrückt, das elektrische Feld innerhalb des Kristalls gerade ausreichend über den Schwellwert an. Bei diesen Bedingungen wurde gefunden, daß jede Ansteuerung des Körpers 1, durch die Spitze eines Steuerimpulses 3 beispielsweise, einen scharfen Stromimpuls 4 ergibt, welcher der Potentialquelle im Ausgangskreis auftretende Leistung entzieht. Somit wird eine an das Element angelegte oszillierende Schwingungsform einen entsprechenden Zug von am Ausgang auftretenden scharfen Stromimpulsen ergeben. Unter der Voraussetzung, daß die Eigen-

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schwingungsfrequenz niemals Überschritten wird, ist die Wirkungsweise des Elementes im wesentlichen frequenzunabhängig. Die vom Element verfügbare Ausgangsleistung hängt von der zulässigen Verlustleistung innerhalb des Körpers ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen; aufgrund des relativ geringen Wirkungsgrades wird damit aber eine relativ hohe Verlustleistung im Körper verbunden sein. Das Steuerpotential kann zur Verminderung der Dauerverlustleistung impulsförmig angelegt werden.

Das Halbleiterelement gemäß der Fig. 1 kann auch derartig betrieben werden, daß an die Flächenkontakte eine größer als der Schwellwert betragende Potentialdifferenz angelegt wird, wodurch ein Selbstschwingen bewirkt wird. Bei dieser Betriebsart würde das Element eine ununterbrochene Reihe von Ausgangsimpulsen abgeben, ohne daß eine weitere äußere Ansteuerung erforderlich ist.

Wird das Halbleiterelement übersteuert, so erscheint der Hauptteil der den Wert der zur Auslösung einer Hochfelddomäne erforderlichen Spannung, d.h. die den Schwellwert des Elements überschreitende Spannung, an der Hochfelddomäne, Sind beispielsweise 100 Volt zur Auslösung einer Hochfelddomäne im Element erforderlich und wird eine mittlere Spannung von etwa 150 Volt an das Element angelegt, dann erscheinen davon etwa 80 Volt an der Hochfelddomäne. Wird nun den 150 Volt eine Modulation von +10 Volt überlagert, so würde sich die Hochfelddomänenspannung während der Fortpflanzung der Hochfelddomäne längs des Elementes zwischen 70 und 90 Volt ebenso wie das über das Element gemessene Ausgangssignal um den gleichen oder proportionalen Betrag ändern. Es wäre zu bemerken, daß die Hochfelddomäne einiges der überschüssigen Spannung bis zum Erreichen des

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Punktes des Auftretens einer Stoßionisation aufnimmt, falls das Bauelement beispielsweise auf den drei- oder vierfachen Wert der Schwellspannung übersteuert wird. Die Stoßionisation begrenzt das Ausbreiten der Hochfeldzone, womit die zusätzliche Vorspannung oder äußere Potentialquellspannung von der Masse des Halbleitermaterials außerhalb der Hochfelddomäne aufgenommen wird, was zur Bildung einer weiteren Domäne führen würde. Es ist somit ersichtlich, daß eine Grenze im Hinblick auf die Amplitude der Modulationsspannung existiert.

Bei piezoelektrischen Halbleitermaterialien, beispielsweise Kadmiumsulfid, ist der mit der Auslösung einer Hochfelddomäne verbundene starke Phononenfluß derart, daß er die Störung der Oberflächen des Halbleitermaterials während der Fortpflanzung entsprechend einem mit dem Spannungsabfall über die Hochfelddomäne in Beziehung stehenden Betrag bewirkt. Diese Modulation des Spannungsabfalls an der Hochfelddomäne während der Fortpflanzung würde sich um den gleichen oder dazu proportionalen Betrag als Beeinflussung des Reliefprofils der Störungen ^ußern.

Die Möglichkeit der Modulation des Spannungsabfalls an einer Hochfelddomäne und entsprechender Modulation des Reliefprofils der Störungen kann bei verschiedenen Anwendungen und insbesondere bei einem Festkörperabtastsystem nach der Erfindung ausgenutzt werden.

Das Festkörperabtastsystem nach der Erfindung, welches schematisch in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist, macht von einer Schlierenoptik zur Beobachtung des Reliefprofils der Störungen Verwendung.

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Gemäß der Fig. 2 wird von einer Lichtquelle 5 herrührendes Licht durch eine bikonvexe Linse 6 auf einen Satz jalousieartig angeordneter Spiegelstreifen 7 geworfen. Jeder der Spiegelstreifen 7 läßt einen Lichtstreifen auf die Oberfläche 4 des Körpers 1 fallen. Ist die Oberfläche 4 völlig flach, d.h. bei Fehlen einer sich fortpflanzenden Hochfelddomäne, so wird der abstrahlende Lichtstreifen zurück auf den entsprechenden Spiegelstreifen geworfen, so daß kein Licht durch die freien Zwischenräume der jalousieartig angeordneten Streifen fä-llt. Unter diesen Bedingungen wird daher kein Licht auf den Bildschirm 9 über die in der Zeichnung durch eine bikonvexe Linse 8 angedeuteten Projektionseinrichtung der Anordnung geworfen. Zumindest teilweise wird jedoch durch die freien Zwischenräume der jalousieartig angeordneten Streifen jeder der Lichtstreifen gelassen, der von unebenen Teilen der Oberfläche 4, d.h. welche durch das Vorhandensein einer Hochfelddomäne gestört sind, abstrahlt. Dadurch werden zumindest teilweise jene Lichtstreifen als Raster einer Helligkeitsinformation auf dem Schirm 9 zumindest teilweise abgebildet. Die zwischen den jalousieartig angeordneten Streifen durchtretende L'ichtmenge hängt von der Anordnung der Jalousiestreifen zur Oberfläche 4 und dem Ausmaß ab, in dem die Oberfläche 4 beim Einfall der von den Streifen 7 herrührenden Lichtstreifen gestört ist.

In der Praxis werden daher die Breite der Streifen 7, die Abstände zwischen den Streifen 7 und die Anordnung der Streifen 7 zur Oberfläche 4 derartig bemessen, daß für eine maximal mögliche Störung der Oberfläche 4 ein entsprechend der Störung abstrahlender Lichtstreifen um einen solchen Betrag abgelenkt wird, daß der gesamte Lichtstreifen durch einen freien Zwischenraum der Streifenjalousie durchtritt und bei einer

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minimalen Störung, d.h. bei einer im wesentlichen ebenen Oberfläche 4, kein Licht durch die Zwischenräume der jalousieartig angeordneten Streifen fällt. Der durch die jalousieartig angeordneten Streifen fallende und auf dem Schirm 9 abgebildete Betrag jedes Lichtstreifens steht daher unmittelbar mit dem Ausmaß der Störung jenes Teiles der Fläche 4 in Beziehung, von dem -er abstrahlt.

Der Körper 1 kann auch relativ zu den jalousieartig angeordneten Streifen 7 geneigt winklig in solcher Weise angeordnet werden, daß für minimale Störungen der entsprechende Lichtstreifen durch einen freien Zwischenraum der Jalousiestreifen fällt und bei maximaler Störung kein Licht durch die freien Zwischenräume fällt.

Bei konstantem Spannungsabfall über die Hochfelddomäne wird somit im Betrieb eine sich zwischen den Flächenkontakten 2 im Körper 1 fortpflanzende Hochfelddomäne entlang der Fläche 4 ein Reliefprofil ergeben, welches sich normal ändert, was den gleichen Betrag für jeden der durch die jalousieartig angeordneten Streifen und auf dem Schirm 9 abgebildeten Lichtstreifen ergibt.

Zur Auslösung einer Hochfelddomäne kann das elektrische Feld Innerhalb des Körpers 1 über den Schwellwert gebracht werden, indem entweder an die Flächenkontakte 2 ununterbrochen eine den Schwellwert übersteigende Potentialdifferenz oder indem eine einen Bruchteil der zum Selbstschwingen erforderlichen Potentialdifferenz angelegt wird, der dann ein Triggerimpuls zur Überschreitung des Schwellwertes aufgeprägt wird.

Wie im vorstehenden Abschnitt erläutert, wird die Modulation

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des Spannungsabfalls an der Hochfelddomäne während der Fortpflanzung, beispielsweise durch ein Videosignal, eine Beeinflussung des Reliefprofils der Störungen an der Oberfläche 4 entsprechend dem gleichen oder proportionalen Betrag ergeben. Das Raster der auf dem Schirm 9 abgebildeten Helligkeitsinformation wird demnach ebenfalls um den gleichen oder proportionalen Betrag moduliert und daher das modulierende Videosignal verkörpern.

Die Betriebsart des Halbleiterelements, d.h. ob die Potentialdifferenz an die Flächenkontakte 2 ununterbrochen ι oder impulsweise angelegt wird, hängt von den Synchroni- ' sationsbedingungen zwischen der Laufzeit der Hochfelddomäne und dem Betrag des Eingangssignals des Hochfelddomänenmodulationssignals ab.

Wird beispielsweise die Potentialdifferenz an die Flächenkontakte 2 ununterbrochen angelegt, dann wird eine weitere Hochfelddomäne ausgelöst, wenn die Hochfelddomäne die gesamte Länge des Körpers 1 durchmessen hat. In diesem Augenblick wird die Disposition des Systems derart sein, daß das nächste Modulationssignal an das Halbleiterelement angelegt wird.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Oberflächenstörungen gesteigert werden können, falls es erwünscht ist, eine größere Ablenkung der Lichtstrelfen zu erhalten. Beispielsweise kann die Oberfläche mit einem Material hoher Kopplungskonstanten versehen werden, wie Lithiumniobat (LiNbO₃), um eine größere Deformation bei vorgegebener Feldspannung zu erhalten.

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Es mag auch erwünscht sein, eine gewisse Speicherung beim Abtastprozeß, beispielsweise auf ein Bild oderv, einer Zeile, einzuführen. Dies kann durch einen flüssigen oder plastischen Film auf der Oberfläche 4 erreicht werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

(Ii Festkörperabtastsystem mit einem Halbleiterkörper, ■ der aus einem Halbleitermaterial mit Hochfeldinstabilitätseffekten besteht und in dem eine sich fortpflanzende Hochfelddomäne erzeugt ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Beobachtung der durch die sich fortpflanzende Hochfelddomäne bewirkten Störungen des Reliefprofils der Halbleiteroberfläche.
2. Festkörperabtastsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Modulation des Spannungsabfalls an der sich fortpflanzenden Hochfelddomäne.
3. Festkörperabtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schlierenoptik als Beobachtungsvorrichtung zur Abbildung eines Rasters von Helligkeitsinformationen.
4. Festkörperabtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3_# dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Schicht aus einem Material angeordnet ist, welche die Oberflächenstörungen verstärkt.
5. Festkörperabtastsystem nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einer Oberflächenschicht versehen ist, welche die Oberflächenstörungen speichert.
6. Festkörperabtastsystem nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus piezoelektrischem Halbleitermaterial besteht.

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7. Festkörperabtastsystem nach Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch jalousieartig angeordnete Spiegelstreifen (7), welche das von einer Lichtquelle (5) herrührende Licht auf die Oberfläche (4) reflektieren, als Schlierenoptik zur Abbildung eines Raster von Helligkeitsinformationen.

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