WO2002037577A2 - Fiber, electronic circuit and textile product - Google Patents

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WO2002037577A2
WO2002037577A2 PCT/EP2001/012652 EP0112652W WO0237577A2 WO 2002037577 A2 WO2002037577 A2 WO 2002037577A2 EP 0112652 W EP0112652 W EP 0112652W WO 0237577 A2 WO0237577 A2 WO 0237577A2
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Martin Rojahn
Michail Rakhlin
Markus Schubert
Jürgen Werner
Heinrich Planck
Hansjürgen Horter
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Universität Stuttgart
Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Stuttgart
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Definitions

  • the invention relates to a fiber with a fiber core on which one, preferably at least two, semiconductor layers are accommodated, and to a textile product.
  • a fiber of the above type is known from US-A-5 838 868.
  • at least one layer of a semiconductor material with a is on a cylindrical glass fiber core direct band gap, such as CdS, CdTe, GaAs applied.
  • a glass coating is applied on the outside, the refractive indices of the layers being matched to one another in such a way that the glass fiber can be used as a light guide.
  • the semiconductor layer achieves special transmission properties for light signals in a selected wavelength range.
  • the object of the invention is to provide a fiber with new properties which enable the fiber to be used in a variety of ways, including beyond the field of the textile industry.
  • the fiber core thus serves as a carrier for one or more semiconductor layers which, in contrast to the prior art, are now not only used to selectively influence a light signal conducted through the fiber core, but rather are part of an electronic component or, if appropriate, are electronic together with further layers Form component.
  • the term “electronic component” is to be understood in its broadest possible meaning, for example as a component with at least one semiconductor layer, generally is to be understood with at least two semiconductor layers, which has a defined current / voltage characteristic. Furthermore, to delimit the term “electronic component” it can be used that at least two layers of the electronic component, that is to say at least one semiconductor layer and possibly a further functional layer which does not consist of a semiconductor material, have a common functional surface which is part of the electronic component.
  • the common functional layer will usually be a boundary layer, in which a special electronic property results, as is known at boundary layers of differently doped semiconductors, for example with p- or n-doping.
  • the term "electronic component” is intended to encompass all known and conceivable designs, which not only include, for example, diodes, transistors, thyristors, ICs, etc., but also include components with at least one semiconductor layer with which radiation signals are converted into electrical signals ( (eg photo diodes, photo transistors, photo resistors, photovoltaic elements) or electrical signals can be converted into radiation signals (e.g. LEDs). Sensors and electrodes for receiving or delivering electrical, electrochemical, thermal or other signals are also to be understood as such.
  • the electronic components for medical and biological purposes, for example as microelectrodes for retinal implants or as a three-dimensional network structure for large-area contacting of electrolytes, for example with the possibility of three-dimensional storage or contacting of cells.
  • the electronic components according to the invention are, however, formed on fibers, as a result of which a completely new spectrum of applications for electronic components is opened up.
  • the usually flexible fibers can be e.g. Further processing to a wide variety of textile products that have properties that are otherwise reserved for electronic circuits on solid planar substrates.
  • a textile product is understood here to mean any product which consists wholly or partly of the fibers according to the invention, that is to say in particular by means of weaving, braiding or other substances known in textile technology.
  • the term “fiber” should not only be understood to mean cylindrical, elongated structures in cross section, but also elliptical, oval, square or other shaped structures in cross section, provided that their cross section in width and height (or their largest diameter) is significantly smaller (at least an order of magnitude) than its length.
  • Such fibers which can be produced in textile technology by splitting, for example semicircular structures, are also to be understood as such.
  • films are no longer to be included in this term since they only have a considerably smaller thickness than length and width.
  • the fibers can be endless. However, it can also be short fibers with a length of up to a few centimeters or Trade millimeters if their cross-section has correspondingly smaller dimensions.
  • the fibers Due to the usually only small thickness of the semiconductor layers, the fibers usually remain flexible even when a large number of layers are applied one above the other on the fiber core.
  • the mechanical properties such as flexibility and tensile strength as well as the total diameter of the fibers, which is preferably in the order of magnitude between 1 ⁇ m and 10 mm, are therefore generally determined primarily by the fiber core.
  • any type of flexible fiber material can be considered as the fiber core, in particular chemical or glass fibers. Fine metal wires are also suitable as fiber core, whereas vegetable or animal fibers are less suitable due to their irregular surface properties or at least require special pretreatment in order to achieve a uniform surface texture.
  • the fibers can have a fiber core which can be electrically conductive or can be coated in an electrically conductive manner.
  • An electrically non-conductive fiber core is also conceivable. This could e.g. consist of glass or plastic or possibly ceramic. It can also be an optically conductive fiber core, e.g. act out of glass or plastic.
  • the semiconductor layers can consist of all semiconductors also known in planar semiconductor technology, that is to say in particular of crystalline or amorphous inorganic semiconductors or also of organic semiconductors.
  • a single semiconductor layer is applied to an electrically insulating fiber core, which may possibly still be covered by a protective layer.
  • This semiconductor layer can form a photoresistor, for example, so that fibers of this type can be used, for example, in articles of clothing in which certain functions are to be controlled as a function of the brightness.
  • a plurality of semiconductor layers are arranged one above the other in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the fiber core.
  • all electronic or optoelectronic semiconductor components can be built on the fiber core, as are known from planar semiconductor technology.
  • the semiconductor layers arranged one above the other can be functionally assigned to a single electronic component or to several different electronic components.
  • a plurality of semiconductor layers can be arranged next to one another or one behind the other along a longitudinal direction of the fiber core. Overlapping structures are also conceivable.
  • the fiber core preferably carries one or more functional layers which do not consist of a semiconductor.
  • These functional layers can be, for example, layers of metals, dielectrics or plastics, for example for use as contact layers, insulation or passivation layers or for encapsulating the fiber. These functional layers can be applied directly on the fiber core, between semiconductor layers or also on the outermost semiconductor layer.
  • the semiconductor layers and possibly the functional layers are applied with a uniform layer thickness, that is to say approximately symmetrically with respect to a longitudinal axis of the fiber core, provided that it should be cylindrical.
  • the at least one semiconductor layer and possibly the one or more functional layers are designed as cladding layers arranged coaxially to a longitudinal direction of the fiber core.
  • the fiber according to the invention has highly predictable properties due to the cylindrical symmetry, since the thicknesses of the semiconductor layers and of the functional layers are constant over the entire circumference of the fiber.
  • a photodiode is formed by the layers arranged one above the other or next to one another, the fiber can be used as a photovoltaic element with which current can be generated from incident light.
  • the fibers are woven into a fabric, knitted, knitted, braided or placed in a scrim or nonwoven, then irregularly shaped bodies can also be covered. In this way, previously useless areas for photovoltaic electricity generation can be developed.
  • the fabrics can also be used for garments, which can then be given special electrical properties without external energy supply.
  • the electronic component is a light-emitting diode
  • textile structures e.g. Manufacture fabrics that emit light when a voltage is applied without having to couple light into glass fibers in a complicated manner.
  • the implementation of visual displays is also conceivable in this way.
  • transistors which can be interconnected in a manner known per se to form more complex functional groups such as memory cells, logic circuits, oscillator circuits or amplifier circuits.
  • all types of transistor types can also be implemented, for example transistors in MOS technology or junction transistor.
  • a plurality of electronic components can be arranged one above the other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the fiber core.
  • a plurality of electronic components can be arranged one behind the other along the longitudinal direction of the fiber core or next to one another along a fiber section. Structures are therefore conceivable that extend along a certain length section of the fiber over different peripheral sections, e.g. Circular sector sections or ellipse sections, or also structures that extend in succession in the longitudinal direction in each case over different length sections. Combinations are of course also possible.
  • semiconductor circuits to be implemented, the components of which are lined up on a cord like pearls. Further levels of semiconductor components can also be arranged above this first level, so that two-dimensional or possibly three-dimensional circuit structures can be implemented.
  • a plurality of electronic components are connected along the longitudinal direction of the fiber core in such a way that a contact layer of a semiconductor component is electrically conductively connected to a contact layer of an adjacent semiconductor component.
  • this can be, for example, a plurality of photodiodes which are connected in series along the fiber core, so that their individual voltages add up.
  • the connection between the adjacent photodiodes can be made, for example, in that an external contact layer of a photodiode extends so far along the longitudinal direction of the fiber core that it covers an internal contact layer which in turn extends from an adjacent photodiode.
  • a photovoltaic voltage source can be built up which has a high output voltage but a relatively low internal resistance.
  • the reliability can be increased by connecting the photodiodes in series, since a short circuit in a fiber only affects the photodiode located at the location of the short circuit, but the fiber otherwise remains functional.
  • the fiber core is a light guide.
  • optoelectronic circuits which are used in optical communication e.g. can be used as detectors instead of being applied directly to the light guide on an independent carrier.
  • At least one coupling element is provided on the light guide, through which light can be coupled out or can be coupled into the light guide.
  • An adjacent layer, onto which the outcoupled light is guided, can either adjoin the outcoupling element along the longitudinal direction of the light guide or also perpendicularly thereto.
  • an electronic component can also be produced by joining at least two fibers.
  • at least two fibers have a semiconductor layer which have at least one contact point which is part of the electronic component.
  • the contact point thus acts as a functional layer, e.g. as a pn junction.
  • a large-area display can be built up if the crossing points of a network of fibers of this type are formed and controlled, for example, as LEDs for emitting light.
  • At least two fibers are electrically connected to one another, preferably at fiber ends or crossing points of the fibers.
  • the spatial limitation to two dimensions namely along the longitudinal direction of the fiber core and perpendicular to it, can be at least partially eliminated.
  • a large number of fibers can be Structure arranged to each other and electrically connected to each other at the points of contact.
  • three-dimensional circuit structures can be built up, as are known per se from planar semiconductor technology.
  • the network structure as a whole remains flexible, which opens up new application possibilities. For example, it is possible to produce larger fiber composites, for example to generate a relatively powerful and fail-safe power supply in the form of a "solar network".
  • Figure 1 shows a detail of a first embodiment of a fiber according to the invention in a perspective view.
  • 2 shows a device for coating a fiber core in a PECVD process in a greatly simplified illustration;
  • FIG. 3 shows a detail from a second exemplary embodiment of a fiber according to the invention in an axial section
  • Fig. 4 is an equivalent circuit diagram for the fiber of Fig. 3;
  • FIG. 5 shows a detail from a third exemplary embodiment of a fiber according to the invention in an axial section
  • Fig. 6 shows a fiber composite of a plurality of fibers, each of which has a common functional surface at their crossing points and
  • FIG. 7 shows an enlarged illustration of an electronic component which, according to FIG. 6, has two fibers which have a functional surface at an intersection point.
  • the fiber 10 has a fiber core 12 with a longitudinal direction 13, which in the exemplary embodiment shown is a thin copper wire with a diameter of 50 ⁇ m.
  • the copper wire is covered with a thin layer of lacquer, which protects the wire underneath from oxidation.
  • a back contact layer 14 is applied to the circumference of the fiber core 12 and covers the fiber core 12 over its entire length.
  • the rear contact layer 14 surrounds an n-doped semiconductor layer 16 on the circumference, which consists of amorphous silicon doped with phosphorus atoms.
  • the n-doped semiconductor layer 16 covers an intrinsic semiconductor layer 18 made of undoped amorphous silicon. This is followed externally by a p-doped semiconductor layer 20, which consists of amorphous silicon doped with boron atoms.
  • the p-doped semiconductor layer 20 is circumferentially surrounded by a front contact layer 22, which consists of an electrically conductive, optically transparent oxide (TCO, transparent conductive oxide). Finally, a protective layer 24 made of an optically transparent plastic is applied over it, which protects the fiber 10 from mechanical damage.
  • a front contact layer 22 which consists of an electrically conductive, optically transparent oxide (TCO, transparent conductive oxide).
  • TCO optically transparent oxide
  • a protective layer 24 made of an optically transparent plastic is applied over it, which protects the fiber 10 from mechanical damage.
  • the fiber core 12 with the back contact layer 14 applied thereon extends so far beyond the other layers that space for a contact base 25 remains on the back contact layer 14.
  • the contacting of the front contact layer 22 takes place via a contact ring 26, which extends through the protective layer 24 down to the front contact layer 22.
  • the pin photodiode can also be used to generate light from electrical energy by applying an electrical voltage to the contact base 25 and the contact ring 26.
  • the intrinsic semiconductor layer 18 light quanta then arise through recombination of electron-hole pairs, which pass through the transparent front contact layer 22 and the protective layer 24 to the outside.
  • Such a structure or a similar structure can also be implemented for the generation of electromagnetic radiation from electrical energy. This is only indicated schematically by arrows 27 ', which are intended to indicate emitted radiation.
  • the function described here is not limited to light in the visible range, but can also be advantageously implemented with any electromagnetic radiation around the IR range, UV range or other wavelength ranges, provided that the radiation energy is converted into electrical energy or vice versa is possible through the semiconductor layer (s) and possibly further functional layers.
  • the fiber shown in FIG. 1, the coating of which is approximately cylinder-symmetrical, was produced using a PECVD process (PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • FIG. 2 A device known per se that is suitable for carrying out this process is shown schematically in FIG. 2 in a greatly simplified illustration.
  • the device has a process chamber 30 in which a vacuum can be generated with the aid of a vacuum pump 32.
  • An object to be coated can be introduced into the process chamber 30 via a lock 34 and attached to a plate 36.
  • Process gases can also be admitted into the process chamber 30 via a controllable gas inlet 37.
  • electrodes 38 and 40 are arranged which, when a high-frequency voltage is applied, generate a plasma from the let-in process gases, which surrounds the object fastened on the plate 36 and from which atoms are deposited on the object.
  • the coated copper wire 12 serving as the fiber core was first cleaned, then coated with a thin silver layer 14 and, after a further cleaning step, introduced into the process chamber 30 of the PECVD device.
  • a silver wire is to be used instead of a copper wire
  • an additional front contact layer 14 can be dispensed with, since semiconductors can be deposited directly on cleaned silver surfaces.
  • the copper wire 12 was placed directly on the plate 36, functional photodiodes could be produced on the copper wire 12 despite the then rather uneven deposition.
  • the end sections on both sides of the copper wire were covered so that they were not coated and could therefore later be provided with the contact base 25.
  • the homogeneity and accuracy of the deposition can, however, be improved if the copper wire 12 is suspended or clamped at a height above the plate 36 in which the top side of planar substrates for conventional components are usually located.
  • a further improvement in the deposition homogeneity can be achieved if the copper wire 12 is rotated about its longitudinal direction during the deposition process.
  • silane (SiH 4 ) and phosphine (PH 4 ) were introduced into the process chamber 30 via the gas inlet 37 in order to deposit the n-doped amorphous silicon layer 16 on the fiber core 12 coated with silver.
  • silane (SiH 4 ) and phosphine (PH 4 ) were introduced into the process chamber 30 via the gas inlet 37 in order to deposit the n-doped amorphous silicon layer 16 on the fiber core 12 coated with silver.
  • silane SiH 4
  • phosphine (PH 4 ) phosphine
  • the fiber 10 is then transferred to another process chamber via the lock.
  • the front contact layer 20 was then applied to the outer p-doped semiconductor layer 18 by sputtering on a TCO material.
  • the contact ring 26 was then applied by appropriately masking the fiber 10 and then exposing it to a metal vapor mist.
  • the fiber 10 was then provided with the protective layer 24 by now covering the contact element 26 and depositing a transparent plastic on the front contact layer 22.
  • the process just explained is to be modified in such a way that the fiber core is passed through a separation device in an endless process.
  • endless processes are already used in the production of conventional planar solar cells.
  • the two electrodes 38, 40 can then e.g. be replaced by ring electrodes through which the continuous fiber core is passed.
  • the semiconductor layers can be applied to the — possibly endless — fiber core in a comparatively simple manner in a dipping process.
  • FIG. 3 shows, in an axially sectioned illustration, likewise not to scale, a section of another fiber 50 according to the invention, in which several photodiodes are connected in series.
  • the layers applied to the fiber core 12 are not continuous over the entire length of the fiber core 12. but only applied in sections to the fiber core 12.
  • two back contact layers 14a and 14b can be seen, which are spaced apart in the direction of the fiber longitudinal direction 13.
  • the two back contact layers 14a and 14b are each surrounded on the circumference by a p-doped semiconductor layer 16a and 16b, an intrinsic semiconductor layer 18a and 18b and an n-doped semiconductor layer 20a and 20b.
  • front contact layers 22a and 22b are respectively applied to the two outer n-doped semiconductor layers 20a and 20b. This creates two individual photodiodes 28a and 28b, which are arranged one behind the other in the direction of the fiber longitudinal direction 13 on the fiber core 12.
  • the front contact layer 22a of the photodiode 28a protrudes in the direction of the longitudinal direction 13 beyond the side surfaces of the semiconductor layers 16a, 18a and 20a, to the extent that the rear contact layer 14 of the adjacent photodiode 28b is partially covered and contacted.
  • the two photodiodes 28a and 28b are connected in series, as can be seen in the simplified equivalent circuit diagram shown in FIG. 4.
  • the voltage that can be tapped between the back contact layer 14a at one end of the fiber 10 and the front contact layer 22b at the opposite end of the fiber 10 thus corresponds to the sum of the individual voltages that are generated by the intermediate photodiodes when light 28a and 28b are incident. It goes without saying that the arrangement shown in FIG. 3 can be continued periodically in the longitudinal direction 13 in a number limited only by the internal resistance.
  • individual semiconductor or functional layers can of course also be arranged along the longitudinal axis next to one another over a certain area, for example to form a spatial structure with at least partially overlapping areas arranged above it (not shown) ).
  • the fiber core of fiber 60 consists of an optical fiber 62, which has a core 64 and a jacket 66.
  • the cladding 66 has a lower refractive index than the core 64, so that light coupled into the light guide 62 predominantly propagates in the core 64, as indicated by the arrows 67.
  • the cladding 66 of the light guide 62 carries along a section a coupling element 68 in the form of a cladding-shaped layer, which consists of a glass or a semiconductor with the same or a higher refractive index than the cladding 66.
  • Further layers are applied to the coupling element 68, of which only the layers 70a, 70b and 70c are shown in FIG. 5 by way of example. These layers are semiconductor layers and possibly also functional layers made of other materials, which together form an electronic component, for example a sensor, which can be coupled to an amplifier element.
  • the coupling element 68 couples out a (small) part of the light 67 guided in the light guide 62 and into the electronic component above it.
  • the amount of light coupled out by the coupling element 68 depends in particular on the refractive index of the coupling element 68 and on its length in the direction of the longitudinal direction 13.
  • the electronic component generates electrical signals that can be evaluated in a conventional manner. Further semiconductor components required for evaluation can be applied, for example, next to the coupling element 68 on the light guide 62.
  • the coupling element 68 thus forms, together with the layers above, a sensor for the detection of light 67 guided in the light guide 62.
  • the electronic component through a light-generating optoelectronic component in order to couple light generated therefrom into the light guide 62 with the aid of the coupling element 68.
  • FIGS. 6 and 7 show purely schematically a fiber composite 82 which consists of a plurality of intersecting fibers 80, 80a which form a common interface at intersection points 84.
  • the arrangement is such that the function of an electronic component 86 is only achieved in cooperation with this interface.
  • the component 86 formed in this way could, for example, be a light-emitting element which emits light when both fibers 80, 80a are connected to a voltage U + or U-.
  • the transverse fibers are connected to U + via switches 87, 88, 89, while the longitudinal fibers are connected to U- via switches 90, 91, 92, 93, 94.
  • the relevant fenden crossing point 84 emits light, as indicated in combination with the two closed switches 87, 90 at the crossing point 84 by the radiation 27. In this way, a large-scale display can be realized, the points of which can be individually addressed.

Abstract

The invention relates to a fiber, especially for a textile fabric, comprising a fiber core (12). According to the invention, at least one electronic component having one or more semiconductor layers (16, 18, 20) is provided on a fiber core (12).

Description

Faser, elektronische Schaltung und textiles Produkt Fiber, electronic circuit and textile product
Die Erfindung betrifft eine Faser mit einem Faserkern, auf dem eine, vorzugsweise mindestens zwei, Halbleiterschichten aufgenommen sind, sowie ein textiles Produkt.The invention relates to a fiber with a fiber core on which one, preferably at least two, semiconductor layers are accommodated, and to a textile product.
Eine Faser der vorstehend genannten Art ist aus der US-A-5 838 868 bekannt. Hierbei ist auf einen zylindrischen Glasfaserkern wenigstens eine Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke, wie etwa CdS, CdTe, GaAs aufgebracht. Außen ist eine Glasuir-mantelung aufgebracht, wobei die Brechungsindizes der Schichten so aufeinander abgestimmt sind, daß die Glasfaser als Lichtleiter verwenbar ist. Durch die Halbleiterschicht werden spezielle Übertragungseigenschaften für Lichtsignale in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt.A fiber of the above type is known from US-A-5 838 868. In this case, at least one layer of a semiconductor material with a is on a cylindrical glass fiber core direct band gap, such as CdS, CdTe, GaAs applied. A glass coating is applied on the outside, the refractive indices of the layers being matched to one another in such a way that the glass fiber can be used as a light guide. The semiconductor layer achieves special transmission properties for light signals in a selected wavelength range.
Eine derartige Glasfaser ist jedoch lediglich auf spezielle Anwendungsbereiche bei Lichtverstärkern oder Laseranwendungen beschränkt.However, such a glass fiber is only limited to special areas of application in light amplifiers or laser applications.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faser mit neuen Eigenschaften anzugeben, die einen vielfältigen Einsatz der Faser, auch über den Bereich der Textilbranche hinaus, ermöglichen.The object of the invention is to provide a fiber with new properties which enable the fiber to be used in a variety of ways, including beyond the field of the textile industry.
Diese Aufgabe wird bei einer Faser gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens eine Halbleiterschicht Teil eines elektronischen Bauelements ist.This object is achieved in the case of a fiber according to the type mentioned at the outset in that at least one semiconductor layer is part of an electronic component.
Der Faserkern dient somit als Träger für eine oder mehrere Halbleiterschichten, die im Gegensatz zum Stand der Technik nunmehr nicht lediglich zur selektiven Beeinflussung eines durch den Faserkern geleiteten Lichtsignals dienen, sondern die Teil eines elektronischen Bauelements sind oder selbst ggf. zusammen mit weiteren Schichten ein elektronisches Bauelement bilden.The fiber core thus serves as a carrier for one or more semiconductor layers which, in contrast to the prior art, are now not only used to selectively influence a light signal conducted through the fiber core, but rather are part of an electronic component or, if appropriate, are electronic together with further layers Form component.
Hierbei soll der Begriff "elektronisches Bauelement" in seiner breitestmöglichen Bedeutung verstanden werden, wobei dies etwa als ein Bauteil mit mindestens einer Halbleiterschicht, i.d.R. mit mindestens zwei Halbleiterschichten zu verstehen ist, das eine definierte Strom/Spannungskennlinie aufweist. Ferner kann zur Abgrenzung des Begriffs "elektronisches Bauelement" herangezogen werden, daß mindestens zwei Schichten des elektronischen Bauelements, also zumindest eine Halbleiterschicht und ggf. eine weitere, nicht aus einem Halbleitermaterail bestehende Funktionsschicht, eine gemeinsame Funktionsfläche aufweisen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.Here, the term “electronic component” is to be understood in its broadest possible meaning, for example as a component with at least one semiconductor layer, generally is to be understood with at least two semiconductor layers, which has a defined current / voltage characteristic. Furthermore, to delimit the term "electronic component" it can be used that at least two layers of the electronic component, that is to say at least one semiconductor layer and possibly a further functional layer which does not consist of a semiconductor material, have a common functional surface which is part of the electronic component.
Sofern mindestens zwei Halbleiterschichten vorgesehen sind, wird es sich bei der gemeinsamen Funktionsschicht meist um eine Grenzschicht handeln, in der sich eine spezielle elektronische Eigenschaft ergibt, wie sie an Grenzschichten von unterschiedlich dotierten Halbleitern etwa mit p- oder n-Dotierungen bekannt ist.If at least two semiconductor layers are provided, the common functional layer will usually be a boundary layer, in which a special electronic property results, as is known at boundary layers of differently doped semiconductors, for example with p- or n-doping.
In einem einfachen Fall könnte es sich also beispielsweise um eine Sperrschicht (pn-Übergang, pin-Übergang usw. ) handeln. Der Begriff "elektronisches Bauelement" soll alle bekannten und vorstellbaren Bauformen umfassen, wozu nicht nur etwa Dioden, Transistoren, Thyristoren, IC-s usw. gehören, sondern auch solche Bauteile mit wenigstens einer HalbleiterSchicht gehören, mit denen Strahlungssignale in elektrische Signale umgesetzt werden (z.B. Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, photovoltaische Elemente) oder elektrische Signale in Strahlungssignale umgesetzt werden (z.B. LED's). Auch sollen Sensoren und Elektroden zur Aufnahme bzw. Abgabe von elektrischen, elektrochemischen, thermischen oder sonstigen Signalen darunter verstanden werden. Denkbar ist also auch eine Anwendung der elektronischen Bauelemente für medizinische und biologische Zwecke, so z.B. als Mikroelektroden bei Retina-Implantaten oder als dreidimensionale Netzstruktur zur großflächigen Kontaktie- rung von Elektrolyten, etwa mit der Möglichkeit einer dreidimensionalen Einlagerung bzw. Kontaktierung von Zellen.In a simple case, it could, for example, be a barrier layer (pn junction, pin junction, etc.). The term "electronic component" is intended to encompass all known and conceivable designs, which not only include, for example, diodes, transistors, thyristors, ICs, etc., but also include components with at least one semiconductor layer with which radiation signals are converted into electrical signals ( (eg photo diodes, photo transistors, photo resistors, photovoltaic elements) or electrical signals can be converted into radiation signals (e.g. LEDs). Sensors and electrodes for receiving or delivering electrical, electrochemical, thermal or other signals are also to be understood as such. It is also conceivable to use the electronic components for medical and biological purposes, for example as microelectrodes for retinal implants or as a three-dimensional network structure for large-area contacting of electrolytes, for example with the possibility of three-dimensional storage or contacting of cells.
Anders als bekannte elektronische Bauelemente, die stets eine planare Struktur aufweisen, sind die erfindungsgemäßen elektronischen Bauelemente jedoch auf Fasern ausgebildet, wodurch ein vollkommen neues AnwendungsSpektrum für elektronische Bauelemente erschlossen wird. Die in der Regel biegsamen Fasern lassen sich nämlich z.B. zu verschiedenartigsten textilen Produkten weiterverarbeiten, die Eigenschaften aufweisen, die ansonsten elektronischen Schaltungen auf festen planaren Trägern vorbehalten sind. Unter einem textilen Produkt wird hier im übrigen jedes Produkt verstanden, welches ganz oder teilweise aus den erfindungsgemäßen Fasern besteht, also insbesondere durch Weben, Flechten oder andere in der Textiltechnik bekannte Verfahren hergestellte Stoffe.Unlike known electronic components, which always have a planar structure, the electronic components according to the invention are, however, formed on fibers, as a result of which a completely new spectrum of applications for electronic components is opened up. The usually flexible fibers can be e.g. Further processing to a wide variety of textile products that have properties that are otherwise reserved for electronic circuits on solid planar substrates. A textile product is understood here to mean any product which consists wholly or partly of the fibers according to the invention, that is to say in particular by means of weaving, braiding or other substances known in textile technology.
Unter dem Begriff "Faser" sollen im Rahmen dieser Anmeldung nicht nur im Querschnitt zylindrische, längliche Strukturen, sondern auch im Querschnitt elliptische, ovale, quadratische oder anders geformte Strukturen verstanden werden, sofern deren Querschnitt in Breite und Höhe (bzw. deren größter Durchmesser) erheblich kleiner (wenigstens eine Größenordnung) als deren Länge ist. Auch solche Fasern, die in der Textiltechnik etwa durch Splitting erzeugt werden können, also z.B. halbkreisförmige Strukturen sind darunter zu verstehen. Folien sollen jedoch nicht mehr von diesem Begriff umfaßt werden, da diese nur eine erheblich geringere Dicke als Länge und Breite aufweisen. Die Fasern können endlos sein. Es kann sich jedoch auch um Kurzfasern mit einer Länge von bis zu wenigen Zentimetern oder Millimetern handeln, sofern deren Querschnitt entsprechend kleinere Abmessungen aufweist.In the context of this application, the term “fiber” should not only be understood to mean cylindrical, elongated structures in cross section, but also elliptical, oval, square or other shaped structures in cross section, provided that their cross section in width and height (or their largest diameter) is significantly smaller (at least an order of magnitude) than its length. Such fibers, which can be produced in textile technology by splitting, for example semicircular structures, are also to be understood as such. However, films are no longer to be included in this term since they only have a considerably smaller thickness than length and width. The fibers can be endless. However, it can also be short fibers with a length of up to a few centimeters or Trade millimeters if their cross-section has correspondingly smaller dimensions.
Aufgrund der üblicherweise nur geringen Dicke der Halbleiterschichten bleiben die Fasern meist auch dann biegsam, wenn sehr viele Schichten übereinander auf dem Faserkern aufgebracht sind. Die mechanischen Eigenschaften wie Biegsamkeit und Reißfestigkeit sowie der Gesamtdurchmesser der Fasern, der vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 1 μm und 10 mm liegt, werden daher in der Regel vor allem vom Faserkern bestimmt.Due to the usually only small thickness of the semiconductor layers, the fibers usually remain flexible even when a large number of layers are applied one above the other on the fiber core. The mechanical properties such as flexibility and tensile strength as well as the total diameter of the fibers, which is preferably in the order of magnitude between 1 μm and 10 mm, are therefore generally determined primarily by the fiber core.
Als Faserkern kommt hierbei jede Art biegsamen Faserstoffs in Betracht, insbesondere Chemie- oder Glasfasern. Ebenfalls als Faserkern geeignet sind feine Metalldrähte, wohingegen pflanzliche oder tierische Fasern aufgrund ihrer unregelmäßigen Oberflächenbeschaffenheit weniger geeignet sind oder zumindest einer speziellen Vorbehandlung bedürfen, um eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen. Die Fasern können einen Faserkern aufweisen, der elektrisch leitend sein kann oder elektrisch leitend beschichtet sein kann. Auch ein elektrisch nichtleitender Faserkern ist denkbar. Dieser könnte z.B. aus Glas oder Kunststoff oder ggf. Keramik bestehen. Es kann sich auch um einen optisch leitenden Faserkern, z.B. aus Glas oder Kunststoff handeln.Any type of flexible fiber material can be considered as the fiber core, in particular chemical or glass fibers. Fine metal wires are also suitable as fiber core, whereas vegetable or animal fibers are less suitable due to their irregular surface properties or at least require special pretreatment in order to achieve a uniform surface texture. The fibers can have a fiber core which can be electrically conductive or can be coated in an electrically conductive manner. An electrically non-conductive fiber core is also conceivable. This could e.g. consist of glass or plastic or possibly ceramic. It can also be an optically conductive fiber core, e.g. act out of glass or plastic.
Die Halbleiterschichten können prinzipiell aus allen auch in der planaren Halbleitertechnologie bekannten Halbleitern, also insbesondere aus kristallinen oder amorphen anorganischen Halbleitern oder auch aus organischen Halbleitern bestehen. Im einfachsten Falle wird auf einen elektrisch isolierenden Faserkern eine einzige Halbleiterschicht aufgebracht, die ggf. noch von einer Schutzschicht überzogen sein kann. Diese Halbleiterschicht kann z.B. einen Photowiderstand bilden, so daß sich derartige Fasern beispielsweise in Kleidungsstücken einsetzen lassen, in denen bestimmte Funktionen in Abhängigkeit von der Helligkeit gesteuert werden sollen.In principle, the semiconductor layers can consist of all semiconductors also known in planar semiconductor technology, that is to say in particular of crystalline or amorphous inorganic semiconductors or also of organic semiconductors. In the simplest case, a single semiconductor layer is applied to an electrically insulating fiber core, which may possibly still be covered by a protective layer. This semiconductor layer can form a photoresistor, for example, so that fibers of this type can be used, for example, in articles of clothing in which certain functions are to be controlled as a function of the brightness.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Halbleiterschichten in einer zu einer Längsrichtung des Faserkerns senkrechten Richtung übereinander angeordnet.According to a further embodiment of the invention, a plurality of semiconductor layers are arranged one above the other in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the fiber core.
Auf diese Weise lassen sich prinzipiell sämtliche elektronische oder optoelektronische Halbleiterbauelemente auf den Faserkern aufbauen, wie sie von der planaren Halbleitertechnologie her bekannt sind. Die übereinander angeordneten Halbleiterschichten können funktionell einem einzigen elektronischen Bauelement oder auch mehreren unterschiedlichen elektronischen Bauelementen zugeordnet sein.In this way, in principle, all electronic or optoelectronic semiconductor components can be built on the fiber core, as are known from planar semiconductor technology. The semiconductor layers arranged one above the other can be functionally assigned to a single electronic component or to several different electronic components.
Alternativ oder auch zusätzlich hierzu können mehrere Halbleiterschichten entlang einer Längsrichtung des Faserkerns nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Auch überlappende Strukturen sind dabei denkbar.Alternatively or in addition to this, a plurality of semiconductor layers can be arranged next to one another or one behind the other along a longitudinal direction of the fiber core. Overlapping structures are also conceivable.
Es ist somit nicht erforderlich, daß sich die einzelnen Halbleiterschichten jeweils über die gesamte Faserlänge hinweg erstrecken. Vielmehr lassen sich dadurch Bauelemente realisieren, deren Halbleiterschichten nicht übereinander, sondern nebeneinander bzw. hintereinander oder ganz oder zum Teil überlappend angeordnet sind. Vorzugsweise trägt der Faserkern eine oder mehrere Funktionsschichten, die nicht aus einem Halbleiter bestehen.It is therefore not necessary that the individual semiconductor layers each extend over the entire fiber length. Rather, components can be realized as a result whose semiconductor layers are not arranged one above the other, but next to one another or one behind the other, or in whole or in part overlapping. The fiber core preferably carries one or more functional layers which do not consist of a semiconductor.
Bei diesen Funktionsschichten kann es sich beispielsweise um Schichten aus Metallen, Dielektrika oder Kunststoffen handeln, etwa zur Verwendung als Kontaktschichten, Isolations- oder Pas- sivierungsschichten bzw. zur Verkapselung der Faser. Diese Funktionsschichten können unmittelbar auf dem Faserkern, zwischen Halbleiterschichten oder auch auf der am weitesten außen liegenden Halbleiterschicht aufgebracht sein.These functional layers can be, for example, layers of metals, dielectrics or plastics, for example for use as contact layers, insulation or passivation layers or for encapsulating the fiber. These functional layers can be applied directly on the fiber core, between semiconductor layers or also on the outermost semiconductor layer.
Bei einigen Anwendungen der neuen Faser, z.B. bei dem oben erwähnten Photowiderstand, ist es für die Funktion nicht wesentlich, daß die Halbleiterschichten und ggf. die Funktionsschichten mit gleichmäßiger Schichtstärke aufgebracht sind, also etwa symmetrisch bezüglich einer Längsachse des Faserkerns, sofern dieser zylindrisch sein sollte.In some applications of the new fiber, e.g. in the case of the photoresistor mentioned above, it is not essential for the function that the semiconductor layers and possibly the functional layers are applied with a uniform layer thickness, that is to say approximately symmetrically with respect to a longitudinal axis of the fiber core, provided that it should be cylindrical.
Bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen wird es allerdings bevorzugt sein, wenn die wenigstens eine Halbleiterschicht und ggf. die eine oder mehrere Funktionsschichten als koaxial zu einer Längsrichtung des Faserkerns angeordnete Mantelschichten ausgeführt sind.In the majority of applications, however, it will be preferred if the at least one semiconductor layer and possibly the one or more functional layers are designed as cladding layers arranged coaxially to a longitudinal direction of the fiber core.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die erfindungsgemäße Faser aufgrund der zylindrischen Symmetrie gut vorhersagbare Eigenschaften aufweist, da die Dicken der Halbleiterschichten und der Funktionsschichten über den gesamten Umfang der Faser hinweg konstant sind. Wird durch die übereinander oder nebeneinander angeordneten Schichten beispielsweise eine Photodiode gebildet, so kann die Faser als photovoltaisches Element verwendet werden, mit dem sich Strom aus einfallendem Licht erzeugen läßt. Wenn derartige Fasern zu einem Stoff verwoben, gestrickt, gewirkt, geflochten werden oder in ein Gelege oder Vlies eingebracht werden, so lassen sich damit auch unregelmäßig geformte Körper überziehen. Auf diese Weise können bislang nicht nutzbare Flächen zur pho- tovoltaischen Stromerzeugung erschlossen werden. Die Stoffe sind auch für Kleidungsstücke verwendbar, die dann ohne externe Energiezufuhr mit speziellen elektrischen Eigenschaften versehen werden können.In this way it is ensured that the fiber according to the invention has highly predictable properties due to the cylindrical symmetry, since the thicknesses of the semiconductor layers and of the functional layers are constant over the entire circumference of the fiber. If, for example, a photodiode is formed by the layers arranged one above the other or next to one another, the fiber can be used as a photovoltaic element with which current can be generated from incident light. If such fibers are woven into a fabric, knitted, knitted, braided or placed in a scrim or nonwoven, then irregularly shaped bodies can also be covered. In this way, previously useless areas for photovoltaic electricity generation can be developed. The fabrics can also be used for garments, which can then be given special electrical properties without external energy supply.
Handelt es sich bei dem elektronisches Bauelement hingegen um eine lichtemittierende Diode, so lassen sich damit textile Gebilde, z.B. Gewebe, herstellen, die bei Anlegen einer Spannung Licht abgeben, ohne daß hierzu auf komplizierte Weise Licht in Glasfasern eingekoppelt werden muß. Auch die Realisierung von optischen Anzeigen ist auf diese Weise denkbar.On the other hand, if the electronic component is a light-emitting diode, then textile structures, e.g. Manufacture fabrics that emit light when a voltage is applied without having to couple light into glass fibers in a complicated manner. The implementation of visual displays is also conceivable in this way.
Es sind aber auch kompliziertere elektronische Bauelemente möglich, insbesondere alle Arten von Transistoren, die in an sich bekannter Weise zu komplexeren Funktionsgruppen wie Speicherzellen, Logikschaltungen, Oszillatorschaltungen oder Verstärkerschaltungen zusammengeschaltet werden können. Auch lassen sich grundsätzlich alle Arten von Transistortypen realisieren, z.B. Transistoren in MOS-Technik oder Sperrschicht- Transistoren. Hierbei können mehrere elektronische Bauelemente in einer zur Längsrichtung des Faserkerns senkrechten Richtung übereinander angeordnet sein.However, more complicated electronic components are also possible, in particular all types of transistors which can be interconnected in a manner known per se to form more complex functional groups such as memory cells, logic circuits, oscillator circuits or amplifier circuits. In principle, all types of transistor types can also be implemented, for example transistors in MOS technology or junction transistor. Here, a plurality of electronic components can be arranged one above the other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the fiber core.
Auf diese Weise können trotz der relativ geringen Trägerfläche vergleichsweise komplexe Schaltungsstrukturen realisiert werden.In this way, comparatively complex circuit structures can be implemented despite the relatively small carrier area.
Zusätzlich oder alternativ hierzu können mehrere elektronische Bauelemente entlang der Längsrichtung des Faserkerns hintereinander oder entlang eines Faserabschnittes nebeneinander angeordnet sein. Es sind also Strukturen denkbar, die sich entlang eines bestimmten Längenabschnittes der Faser über verschiedene Umfangsabschnitte, z.B. Kreissektorabschnitte oder Ellipsenabschnitte, erstrecken oder auch Strukturen, die sich hintereinander in Längsrichtung jeweils über verschiedene Längenabschnitte erstrecken. Auch Kombinationen sind natürlich möglich.Additionally or alternatively, a plurality of electronic components can be arranged one behind the other along the longitudinal direction of the fiber core or next to one another along a fiber section. Structures are therefore conceivable that extend along a certain length section of the fiber over different peripheral sections, e.g. Circular sector sections or ellipse sections, or also structures that extend in succession in the longitudinal direction in each case over different length sections. Combinations are of course also possible.
Dadurch lassen sich Halbleiterschaltungen realisieren, deren Bauelemente wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht sind. Über dieser ersten Ebene können auch noch weitere Ebenen von Halbleiterbauelementen angeordnet sein, so daß sich zweidimensiona- le oder ggf. dreidimensionale Schaltungsstrukturen verwirklichen lassen.This allows semiconductor circuits to be implemented, the components of which are lined up on a cord like pearls. Further levels of semiconductor components can also be arranged above this first level, so that two-dimensional or possibly three-dimensional circuit structures can be implemented.
Zusätzlich ist es bei dieser Weiterbildung bevorzugt, wenn entlang der Längsrichtung des Faserkerns mehrere elektronische Bauelemente derart verschaltet sind, daß eine Kontaktschicht eines Halbleiterbauelements elektrisch leitend mit einer Kontaktschicht eines benachbarten Halbleiterbauelements verbunden ist. In einem einfachen Falle kann es sich dabei z.B. um mehrere Photodioden handeln, die entlang des Faserkerns in Serie geschaltet sind, so daß sich deren Einzelspannungen addieren. Die Verbindung zwischen den benachbarten Photodioden kann z.B. dadurch erfolgen, daß eine außen liegende Kontaktschicht einer Photodiode so weit entlang der Längsrichtung des Faserkerns über diese hinaus reicht, daß sie eine innen liegende Kontaktschicht überdeckt, die ihrerseits aus einer benachbarten Photodiode hinaus reicht. Falls mehrere Fasern mit derart in Serie geschalteten Photodioden parallel verschaltet werden, so läßt sich dadurch eine photovoltaische Spannungsquelle aufbauen, die eine hohe Ausgangsspannung, aber einen relativ geringen Innenwiderstand aufweist. Zudem läßt sich durch eine Serienschaltung der Photodioden die Ausfallsicherheit erhöhen, da ein Kurzschluß in einer Faser nur die sich am Ort des Kurzschlusses befindende Photodiode betrifft, die Faser ansonsten jedoch weiter funktionsfähig bleibt.In addition, in this development it is preferred if a plurality of electronic components are connected along the longitudinal direction of the fiber core in such a way that a contact layer of a semiconductor component is electrically conductively connected to a contact layer of an adjacent semiconductor component. In a simple case, this can be, for example, a plurality of photodiodes which are connected in series along the fiber core, so that their individual voltages add up. The connection between the adjacent photodiodes can be made, for example, in that an external contact layer of a photodiode extends so far along the longitudinal direction of the fiber core that it covers an internal contact layer which in turn extends from an adjacent photodiode. If several fibers are connected in parallel with photodiodes connected in series in this way, a photovoltaic voltage source can be built up which has a high output voltage but a relatively low internal resistance. In addition, the reliability can be increased by connecting the photodiodes in series, since a short circuit in a fiber only affects the photodiode located at the location of the short circuit, but the fiber otherwise remains functional.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Faserkern ein Lichtleiter.In another embodiment of the invention, the fiber core is a light guide.
Auf diese Weise ist es möglich, optoelektronische Schaltungen, die bei der optischen Nachrichtenübertragung z.B. als Detektoren verwendet werden, anstatt auf einem unabhängigen Träger unmittelbar auf dem Lichtleiter aufzubringen.In this way it is possible to use optoelectronic circuits which are used in optical communication e.g. can be used as detectors instead of being applied directly to the light guide on an independent carrier.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist an dem Lichtleiter wenigstens ein Koppelelement vorgesehen, durch das Licht aus dem Lichtleiter auskoppelbar oder in diesen einkoppelbar ist. Eine angrenzende Schicht, auf die das ausgekoppelte Licht geführt wird, kann entweder entlang der Längsrichtung des Lichtleiters oder auch senkrecht hierzu an das Auskoppelelement angrenzen. Dadurch ist es möglich, ein oder mehrere elektronische Bauelemente, die auf dem Lichtleiter aufgebracht sind, an die im Lichtleiter geführten Signale anzukoppeln, so daß sich auf diese Weise beispielsweise ein Detektor mit zugehöriger Auswertelektronik unmittelbar auf dem Lichtleiter ausbilden läßt.In a further development of this embodiment, at least one coupling element is provided on the light guide, through which light can be coupled out or can be coupled into the light guide. An adjacent layer, onto which the outcoupled light is guided, can either adjoin the outcoupling element along the longitudinal direction of the light guide or also perpendicularly thereto. This makes it possible to couple one or more electronic components, which are applied to the light guide, to the signals carried in the light guide, so that in this way, for example, a detector with associated evaluation electronics can be formed directly on the light guide.
Während bei den vorstehend erläuterten Varianten der Erfindung auf einer Faser sich jeweils zumindest ein elektronisches Bauelement befindet, kann auch durch Zusammenfügen von mindest- nestens zwei Fasern ein elektronisches Bauelement erzeugt werden. Hierzu weisen mindestens zwei Fasern eine Halbleiterschicht auf, die mindestens eine Kontaktstelle besitzen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.While in the variants of the invention explained above, there is at least one electronic component on each fiber, an electronic component can also be produced by joining at least two fibers. For this purpose, at least two fibers have a semiconductor layer which have at least one contact point which is part of the electronic component.
Die Kontaktstelle wirkt also somit als Funktionsschicht, also z.B. als pn-Übergang. So läßt sich beispielsweise eine großflächige Anzeige aufbauen, wenn die Kreuzungspunkte eines Netzes aus derartigen Fasern etwa als LED ' s zur Emittierung von Licht ausgebildet und angesteuert werden.The contact point thus acts as a functional layer, e.g. as a pn junction. For example, a large-area display can be built up if the crossing points of a network of fibers of this type are formed and controlled, for example, as LEDs for emitting light.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens zwei Fasern vorzugsweise an Faserenden oder Kreuzungspunkten der Fasern elektrisch miteinander verschaltet.In another embodiment of the invention, at least two fibers are electrically connected to one another, preferably at fiber ends or crossing points of the fibers.
Auf diese Weise läßt sich die räumliche Begrenzung auf zwei Dimensionen, nämlich entlang der Längsrichtung des Faserkerns und senkrecht hierzu, zumindest teilweise aufheben. So können beispielsweise eine Vielzahl von Fasern in der Art einer Netz- Struktur zueinander angeordnet und an den Berührpunkten elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Schaltungsstrukturen aufbauen, wie sie an sich aus der planaren Halbleitertechnologie her bekannt sind. Aufgrund der Biegsamkeit der Fasern bleibt jedoch auch die Netzstruktur insgesamt biegsam, wodurch sich neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen. So ist beispielsweise die Erzeugung von größeren Faserverbunden möglich, um etwa eine relativ leistungsfähige und ausfallsichere Spannungsversorgung in Form eines "Solarnetzes" zu erzeugen.In this way, the spatial limitation to two dimensions, namely along the longitudinal direction of the fiber core and perpendicular to it, can be at least partially eliminated. For example, a large number of fibers can be Structure arranged to each other and electrically connected to each other at the points of contact. In this way, three-dimensional circuit structures can be built up, as are known per se from planar semiconductor technology. However, due to the flexibility of the fibers, the network structure as a whole remains flexible, which opens up new application possibilities. For example, it is possible to produce larger fiber composites, for example to generate a relatively powerful and fail-safe power supply in the form of a "solar network".
Auch können gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung in Form von Abstandsgewirken oder Abstandsgeweben sowie reinen 3- D-Textilstrukturen noch komplexere und ausgedehntere dreidimensionale Schaltungsstrukturen erreicht werden.According to a further embodiment of the invention, even more complex and extensive three-dimensional circuit structures can be achieved in the form of spacer fabrics or spacer fabrics as well as pure 3-D textile structures.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung. Darin zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description of the exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing. In it show:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Faser in einer perspektivischen Darstellung; Fig. 2 eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Faserkerns in einem PECVD-Prozeß in einer stark vereinfachten Darstellung;Figure 1 shows a detail of a first embodiment of a fiber according to the invention in a perspective view. 2 shows a device for coating a fiber core in a PECVD process in a greatly simplified illustration;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Faser in einem Axialschnitt; und3 shows a detail from a second exemplary embodiment of a fiber according to the invention in an axial section; and
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für die Faser aus Fig. 3;Fig. 4 is an equivalent circuit diagram for the fiber of Fig. 3;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Faser in einem Axialschnitt;5 shows a detail from a third exemplary embodiment of a fiber according to the invention in an axial section;
Fig. 6 einen Faserverbund aus einer Mehrzahl von Fasern, die an ihren Kreuzungspunkten jeweils eine gemeinsame Funktionsfläche haben undFig. 6 shows a fiber composite of a plurality of fibers, each of which has a common functional surface at their crossing points and
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines elektronischen Bauteils, das gemäß Fig. 6 zwei Fasern aufweist, die an einem Kreuzungspunkt eine Funktionsfläche haben.FIG. 7 shows an enlarged illustration of an electronic component which, according to FIG. 6, has two fibers which have a functional surface at an intersection point.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen, nicht maßstäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Faser, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Faser 10 weist einen Faserkern 12 mit einer Längsrichtung 13 auf, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen dünnen Kupferdraht mit einem Durchmesser von 50 μm handelt. Der Kupferdraht ist mit einer dünnen Lackschicht überzogen, der den darunterliegenden Draht vor Oxidation schützt. Auf den Faserkern 12 ist umfangsseitig eine Rückkontaktschicht 14 aufgebracht, die den Faserkern 12 über seine gesamte Länge hinweg überzieht. Die Rückkontaktschicht 14 umgibt umfangsseitig eine n-dotierte HalbleiterSchicht 16, die aus amorphem, mit Phosphor-Atomen dotiertem Silizium besteht. Die n-dotierte Halbleiterschicht 16 überdeckt eine intrinsische Halbleiterschicht 18 aus undotiertem amorphem Silizium. Nach außen schließt sich daran eine p-dotierte Halbleiterschicht 20 an, die aus amorphem, mit Bor-Atomen dotiertem Silizium besteht.1 shows a perspective view, not to scale, of a section of a fiber according to the invention, which is designated overall by 10. The fiber 10 has a fiber core 12 with a longitudinal direction 13, which in the exemplary embodiment shown is a thin copper wire with a diameter of 50 μm. The copper wire is covered with a thin layer of lacquer, which protects the wire underneath from oxidation. A back contact layer 14 is applied to the circumference of the fiber core 12 and covers the fiber core 12 over its entire length. The rear contact layer 14 surrounds an n-doped semiconductor layer 16 on the circumference, which consists of amorphous silicon doped with phosphorus atoms. The n-doped semiconductor layer 16 covers an intrinsic semiconductor layer 18 made of undoped amorphous silicon. This is followed externally by a p-doped semiconductor layer 20, which consists of amorphous silicon doped with boron atoms.
Die p-dotierte Halbleiterschicht 20 ist umfangsseitig von einer Frontkontaktschicht 22 umgeben, die aus einem elektrisch leitenden, optisch transparenten Oxid (TCO, transparent conductive oxide) besteht. Darüber ist schließlich eine Schutzschicht 24 aus einem optisch transparenten Kunststoff aufgebracht, die die Faser 10 vor mechanischen Beschädigungen schützt.The p-doped semiconductor layer 20 is circumferentially surrounded by a front contact layer 22, which consists of an electrically conductive, optically transparent oxide (TCO, transparent conductive oxide). Finally, a protective layer 24 made of an optically transparent plastic is applied over it, which protects the fiber 10 from mechanical damage.
Um die Rückkontaktschicht 14 kontaktieren zu können, reicht der Faserkern 12 mit der darauf aufgebrachten RückkontaktSchicht 14 so weit über die übrigen Schichten hinaus, daß auf der Rückkontaktschicht 14 Platz für einen Kontaktsockel 25 verbleibt. Die Kontaktierung der Frontkontaktschicht 22 erfolgt über einen Kontaktring 26, welcher durch die Schutzschicht 24 hindurch bis auf die Frontkontaktschicht 22 herabreicht.In order to be able to contact the back contact layer 14, the fiber core 12 with the back contact layer 14 applied thereon extends so far beyond the other layers that space for a contact base 25 remains on the back contact layer 14. The contacting of the front contact layer 22 takes place via a contact ring 26, which extends through the protective layer 24 down to the front contact layer 22.
Die drei Schichten 16, 18 und 20 bilden gemeinsam eine pin- Photodiode, die z.B. als photovoltaisches Element zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Auf die Faser 10 auftreffendes Licht, welches in Fig. 1 durch die Pfeile 27 angedeutet ist, gelangt durch die optisch transparente Schutzschicht 24, die darunterliegende, ebenfalls optisch transparente Frontkontakt- Schicht 22 und die p-dotierte Halbleiterschicht 20 bis in die intrinsische Halbleiterschicht 18. Dort erzeugt das Licht aufgrund des Photoeffekts Elektron-Loch-Paare, die zu einer an dem Kontaktsockel 25 und dem Kontaktring 24 abgreifbaren elektrischen Spannung führt. Die pin-Photodiode kann aber ebenso zur Erzeugung von Licht aus elektrischer Energie dienen, indem an den Kontaktsockel 25 und den Kontaktring 26 eine elektrische Spannung angelegt wird. In der intrinsischen Halbleiterschicht 18 entstehen dann durch Rekombination von Elekron-Loch-Paaren Lichtquanten, die durch die transparente Frontkontaktschicht 22 und die Schutzschicht 24 hindurch nach außen gelangen.The three layers 16, 18 and 20 together form a pin photodiode, which can be used, for example, as a photovoltaic element for generating electricity. Light striking the fiber 10, which is indicated in FIG. 1 by the arrows 27, passes through the optically transparent protective layer 24, the underlying, likewise optically transparent front contact Layer 22 and the p-doped semiconductor layer 20 into the intrinsic semiconductor layer 18. There, the light generates electron-hole pairs due to the photo effect, which leads to an electrical voltage that can be tapped at the contact base 25 and the contact ring 24. However, the pin photodiode can also be used to generate light from electrical energy by applying an electrical voltage to the contact base 25 and the contact ring 26. In the intrinsic semiconductor layer 18, light quanta then arise through recombination of electron-hole pairs, which pass through the transparent front contact layer 22 and the protective layer 24 to the outside.
Umgekehrt läßt sich eine solche oder ähnlich augebaute Struktur auch zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aus elektrischer Energie realisieren. Dies ist lediglich schematisch durch die Pfeile 27' angedeutet, die emittierte Strahlung andeuten sollen.Conversely, such a structure or a similar structure can also be implemented for the generation of electromagnetic radiation from electrical energy. This is only indicated schematically by arrows 27 ', which are intended to indicate emitted radiation.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß die hier beschriebene Funktion nicht auf Licht im sichtbaren Bereich eingeschränkt ist, sondern bei beliebiger elektromagnetischer Strahlung auch um IR-Bereich, UV-Bereich oder anderen Wellenlängenbereichen vorteilhaft realisiert werden kann, sofern eine Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie oder umgekehrt durch die Halbleiterschicht (en) und ggf. weiteren Funktionsschichten möglich ist.Furthermore, it should be noted that the function described here is not limited to light in the visible range, but can also be advantageously implemented with any electromagnetic radiation around the IR range, UV range or other wavelength ranges, provided that the radiation energy is converted into electrical energy or vice versa is possible through the semiconductor layer (s) and possibly further functional layers.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern sind grundsätzlich alle herkömmlichen Standardverfahren geeignet, mit denen dünne Schichten auf planaren Trägern abgeschieden werden können. Da bei den erfindungsgemäßen Fasern die Abscheidung jedoch nicht nur in einer Raumrichtung, sondern in allen Raumrichtungen erfolgen muß, sollte das gewählte Verfahren eine räumlich vergleichsweise homogene Abscheidung, d.h. auch eine Abscheidung von der Seite und von unten her, ermöglichen.In principle, all conventional standard methods with which thin layers can be deposited on planar supports are suitable for producing the fibers according to the invention. However, since the deposition in the fibers according to the invention is not only in one spatial direction, but in all spatial directions, should the selected method enable spatially comparatively homogeneous deposition, ie also deposition from the side and from below.
Die in Fig. 1 gezeigte Faser, deren Beschichtung annähernd zylindersymmetrisch ist, wurde unter Verwendung eines PECVD- Prozesses (PECVD = plasma enhanced chemical vapor deposition) hergestellt. Eine zur Durchführung dieses Prozesses geeignete, an sich bekannte Vorrichtung ist schematisch in Fig. 2 in einer stark vereinfachten Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozeßkammer 30 auf, in der mit Hilfe einer Vakuumpumpe 32 ein Vakuum erzeugbar ist. In die Prozeßkammer 30 kann über eine Schleuse 34 ein zu beschichtender Gegenstand eingebracht und auf einem Teller 36 befestigt werden. Über einen regelbaren Gaszulauf 37 können außerdem Prozeßgase in die Prozeßkammer 30 eingelassen werden. In der Prozeßkammer 30 sind Elektroden 38 und 40 angeordnet, die bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung aus den eingelassenen Prozeßgasen ein Plasma erzeugen, welches den auf dem Teller 36 befestigten Gegenstand umgibt und aus dem heraus sich Atome auf dem Gegenstand abscheiden.The fiber shown in FIG. 1, the coating of which is approximately cylinder-symmetrical, was produced using a PECVD process (PECVD = plasma enhanced chemical vapor deposition). A device known per se that is suitable for carrying out this process is shown schematically in FIG. 2 in a greatly simplified illustration. The device has a process chamber 30 in which a vacuum can be generated with the aid of a vacuum pump 32. An object to be coated can be introduced into the process chamber 30 via a lock 34 and attached to a plate 36. Process gases can also be admitted into the process chamber 30 via a controllable gas inlet 37. In the process chamber 30 electrodes 38 and 40 are arranged which, when a high-frequency voltage is applied, generate a plasma from the let-in process gases, which surrounds the object fastened on the plate 36 and from which atoms are deposited on the object.
Zu Beginn der Herstellung wurde zunächst der lackierte, als Faserkern dienende Kupferdraht 12 gereinigt, dann mit einer dünnen Silberschicht 14 überzogen und nach einem weiteren Reinigungsschritt in die Prozeßkammer 30 der PECVD-Vorrichtung eingebracht. Falls anstelle eines Kupferdrahtes z.B. ein Silberdraht verwendet werden soll, so kann auf das Aufbringen einer zusätzlichen Frontkontaktschicht 14 verzichtet werden, da sich auf gereinigten Silberoberflächen unmittelbar Halbleiter abscheiden lassen. Obwohl der Kupferdraht 12 unmittelbar auf den Teller 36 aufgelegt wurde, ließen sich trotz der dann eher ungleichmäßigen Abscheidung auf dem Kupferdraht 12 funktionsfähige Photodioden herstellen. Die Endabschnitte zu beiden Seiten des Kupferdrahtes wurden abgedeckt, damit diese nicht beschichtet wurden und somit später mit dem Kontaktsockel 25 versehen werden konnten.At the start of production, the coated copper wire 12 serving as the fiber core was first cleaned, then coated with a thin silver layer 14 and, after a further cleaning step, introduced into the process chamber 30 of the PECVD device. If, for example, a silver wire is to be used instead of a copper wire, an additional front contact layer 14 can be dispensed with, since semiconductors can be deposited directly on cleaned silver surfaces. Although the copper wire 12 was placed directly on the plate 36, functional photodiodes could be produced on the copper wire 12 despite the then rather uneven deposition. The end sections on both sides of the copper wire were covered so that they were not coated and could therefore later be provided with the contact base 25.
Die Homogenität und Genauigkeit der Abscheidung kann allerdings verbessert werden, wenn der Kupferdraht 12 in einer Höhe über dem Teller 36 aufgehängt bzw. eingespannt wird, in der sich üblicherweise die Oberseite planarer Substrate für herkömmliche Bauelemente befinden. Eine weitere Verbesserung der Abschei- dungshomogenität ist erreichbar, wenn der Kupferdraht 12 während des Abscheidungsprozesses um seine Längsrichtung gedreht wird.The homogeneity and accuracy of the deposition can, however, be improved if the copper wire 12 is suspended or clamped at a height above the plate 36 in which the top side of planar substrates for conventional components are usually located. A further improvement in the deposition homogeneity can be achieved if the copper wire 12 is rotated about its longitudinal direction during the deposition process.
Anschließend wurde über den Gaseinlaß 37 Silan (SiH4) und Phos- phin (PH4) in die Prozeßkammer 30 eingeführt, um die n-dotierte amorphe Siliziumschicht 16 auf dem mit Silber beschichteten Faserkern 12 abzuscheiden. In einem zweiten Prozeßschritt wurde ausschließlich Silan in die Prozeßkammer 30 eingeführt, um die intrinsische Siliziumschicht 18 auf die darunterliegende n- dotierte Schicht 16 aufzubringen. Dann wurde in einem dritten Prozeßschritt die p-dotierte amorphe Siliziumschicht 18 aufgebracht, indem in die Prozeßkammer 30 Silan und Diboran (B2H6) eingeführt wurde . Um Verunreinigungen beim Abscheiden zu vermeiden, kann auch eine Vorrichtung mit zwei oder mehreren Prozeßkammern verwendet werden, die über eine Schleuse miteinander verbunden sind. Bei jedem Prozeßschritt wird die Faser 10 dann über die Schleuse in eine andere Prozeßkammer verbracht. Auf die äußere p-dotierte Halbleiterschicht 18 wurde anschließend die Frontkontaktschicht 20 durch Aufsputtern eines TCO- Materials aufgebracht. Danach erfolgte das Aufbringen des Kontaktrings 26, indem die Faser 10 entsprechend maskiert und dann einem Metalldampf-Nebel ausgesetzt wurde. Anschließend wurde die Faser 10 mit der Schutzschicht 24 versehen, indem nunmehr das Kontaktelement 26 abgedeckt und ein transparenter Kunststoff auf der Frontkontaktschicht 22 abgeschieden wurde.Subsequently, silane (SiH 4 ) and phosphine (PH 4 ) were introduced into the process chamber 30 via the gas inlet 37 in order to deposit the n-doped amorphous silicon layer 16 on the fiber core 12 coated with silver. In a second process step, only silane was introduced into the process chamber 30 in order to apply the intrinsic silicon layer 18 to the n-doped layer 16 underneath. Then, in a third process step, the p-doped amorphous silicon layer 18 was applied by introducing silane and diborane (B 2 H 6 ) into the process chamber 30. In order to avoid contamination during separation, a device with two or more process chambers, which are connected to one another via a lock, can also be used. At each process step, the fiber 10 is then transferred to another process chamber via the lock. The front contact layer 20 was then applied to the outer p-doped semiconductor layer 18 by sputtering on a TCO material. The contact ring 26 was then applied by appropriately masking the fiber 10 and then exposing it to a metal vapor mist. The fiber 10 was then provided with the protective layer 24 by now covering the contact element 26 and depositing a transparent plastic on the front contact layer 22.
Für die Herstellung von Endlosfasern ist das soeben erläuterte Verfahren derart abzuwandeln, daß der Faserkern in einem Endlosverfahren durch eine Abscheidungsvorrichtung geführt wird. Derartige Endlosverfahren kommen zur Zeit bereits bei der Herstellung herkömmlicher planarer Solarzellen zur Anwendung. Die beiden Elektroden 38, 40 können dann z.B. durch Ringelektroden ersetzt sein, durch die der Endlosfaserkern hindurchgeführt wird.For the production of continuous fibers, the process just explained is to be modified in such a way that the fiber core is passed through a separation device in an endless process. Such endless processes are already used in the production of conventional planar solar cells. The two electrodes 38, 40 can then e.g. be replaced by ring electrodes through which the continuous fiber core is passed.
Falls als Halbleiter nicht Silizium oder ein anderer anorganischer Stoff, sondern ein organisches Material verwendet werden soll, so lassen sich die Halbleiterschichten auf vergleichsweise einfache Art in einem Tauchverfahren auf den - ggf. endlosen - Faserkern aufbringen.If, instead of silicon or another inorganic material, but an organic material is to be used as the semiconductor, the semiconductor layers can be applied to the — possibly endless — fiber core in a comparatively simple manner in a dipping process.
Fig. 3 zeigt in einer axial geschnittenen, ebenfalls nicht maßstäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer anderen erfindungsgemäßen Faser 50, bei der mehrere Photodioden in Serie hintereinandergeschaltet sind. Anders als in Fig. 1 sind bei der Faser 50 die auf dem Faserkern 12 aufgebrachten Schichten nicht durchgehend über die gesamte Länge des Faserkerns 12, sondern lediglich abschnittsweise auf den Faserkern 12 aufgebracht.FIG. 3 shows, in an axially sectioned illustration, likewise not to scale, a section of another fiber 50 according to the invention, in which several photodiodes are connected in series. In contrast to FIG. 1, in the case of the fiber 50, the layers applied to the fiber core 12 are not continuous over the entire length of the fiber core 12. but only applied in sections to the fiber core 12.
Daher sind in dem in Fig. 3 gezeigten Ausschnitt zwei Rückkontaktschichten 14a und 14b erkennbar, die in Richtung der Faserlängsrichtung 13 voneinander beabstandet sind. Die beiden Rückkontaktschichten 14a und 14b werden jeweils von einer p- dotierten Halbleiterschicht 16a bzw. 16b, einer intrinsischen Halbleiterschicht 18a bzw. 18b und einer n-dotierten Halbleiterschicht 20a bzw. 20b umfangsseitig umschlossen. Auf die beiden außenliegenden n-dotierten Halbleiterschichten 20a und 20b sind außerdem jeweils Frontkontaktschichten 22a und 22b aufgebracht. Dadurch entstehen zwei einzelne Photodioden 28a und 28b, die in Richtung der Faserlängsrichtung 13 auf dem Faserkern 12 hintereinander angeordnet sind.Therefore, in the detail shown in FIG. 3, two back contact layers 14a and 14b can be seen, which are spaced apart in the direction of the fiber longitudinal direction 13. The two back contact layers 14a and 14b are each surrounded on the circumference by a p-doped semiconductor layer 16a and 16b, an intrinsic semiconductor layer 18a and 18b and an n-doped semiconductor layer 20a and 20b. In addition, front contact layers 22a and 22b are respectively applied to the two outer n-doped semiconductor layers 20a and 20b. This creates two individual photodiodes 28a and 28b, which are arranged one behind the other in the direction of the fiber longitudinal direction 13 on the fiber core 12.
Die Frontkontaktschicht 22a der Photodiode 28a ragt in Richtung der Längsrichtung 13 über die Seitenflächen der Halbleiterschichten 16a, 18a und 20a hinaus, und zwar so weit, daß die Rückkontaktschicht 14 der benachbarten Photodiode 28b teilweise überdeckt und kontaktiert wird. Die beiden Photodioden 28a und 28b sind auf diese Weise in Serie geschaltet, wie dies in dem in Fig. 4 gezeigten vereinfachten Ersatzschaltbild erkennbar ist. Die Spannung, die zwischen der Rückkontaktschicht 14a an einem Ende der Faser 10 und der Frontkontaktschicht 22b am gegenüberliegenden Ende der Faser 10 abgegriffen werden kann, entspricht somit der Summe der Einzelspannungen, die von den dazwischenliegenden Photodioden bei Lichteinfall 28a und 28b erzeugt werden. Es versteht sich, daß die in Fig. 3 gezeigte Anordnung periodisch in nur durch den Innenwiderstand begrenzter Anzahl in Längsrichtung 13 fortgesetzt werden kann.The front contact layer 22a of the photodiode 28a protrudes in the direction of the longitudinal direction 13 beyond the side surfaces of the semiconductor layers 16a, 18a and 20a, to the extent that the rear contact layer 14 of the adjacent photodiode 28b is partially covered and contacted. In this way, the two photodiodes 28a and 28b are connected in series, as can be seen in the simplified equivalent circuit diagram shown in FIG. 4. The voltage that can be tapped between the back contact layer 14a at one end of the fiber 10 and the front contact layer 22b at the opposite end of the fiber 10 thus corresponds to the sum of the individual voltages that are generated by the intermediate photodiodes when light 28a and 28b are incident. It goes without saying that the arrangement shown in FIG. 3 can be continued periodically in the longitudinal direction 13 in a number limited only by the internal resistance.
In Abwandlung von der Ausführung gemäß Fig. 3 versteht es sich, daß natürlich auch einzelne Halbleiter- oder Funktionsschichten entlang der Längsachse nebeneinander über einen bestimmten Bereich angeordnet sein können, um beispielsweise mit darüber angeordneten zumindest teilweise überlappenden Bereichen eine räumliche Struktur zu bilden (nicht dargestellt) .As a modification of the embodiment according to FIG. 3, it goes without saying that individual semiconductor or functional layers can of course also be arranged along the longitudinal axis next to one another over a certain area, for example to form a spatial structure with at least partially overlapping areas arranged above it (not shown) ).
Fig. 5 zeigt in einer axial geschnittenen, ebenfalls nicht maßstäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer anderen erfindungsgemäßen Faser 60. Der Faserkern der Faser 60 besteht aus einem Lichtleiter 62, der einen Kern 64 und einen Mantel 66 aufweist. Der Mantel 66 hat einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 64, so daß in den Lichtleiter 62 eingekoppeltes Licht sich überwiegend im Kern 64 ausbreitet, wie dies durch die Pfeile 67 angedeutet ist.5 shows, in an axially sectioned illustration, likewise not to scale, a section of another fiber 60 according to the invention. The fiber core of fiber 60 consists of an optical fiber 62, which has a core 64 and a jacket 66. The cladding 66 has a lower refractive index than the core 64, so that light coupled into the light guide 62 predominantly propagates in the core 64, as indicated by the arrows 67.
Der Mantel 66 des Lichtleiters 62 trägt entlang eines Abschnitts ein Koppelelement 68 in Form einer mantelförmigen Schicht, die aus einem Glas oder einem Halbleiter mit dem gleichen oder einem höheren Brechungsindex als der Mantel 66 besteht. Auf dem Koppelelement 68 sind weitere Schichten aufgebracht, von denen exemplarisch nur die Schichten 70a, 70b und 70c in Fig. 5 dargestellt sind. Bei diesen Schichten handelt es sich um Halbleiterschichten und ggf. auch um Funktionsschichten aus anderen Materialien handeln, die gemeinsam ein elektronisches Bauelement beispielsweise einen Sensor bilden, der mit einem Verstärkerelement gekoppelt sein kann. Beim Betrieb koppelt das Koppelelement 68 einen (kleinen) Teil des im Lichtleiter 62 geführten Lichts 67 aus und in das darü- berliegende elektronische Bauelement ein. Die Menge des durch das Koppelelement 68 ausgekoppelten Lichts hängt dabei insbesondere vom Brechungsindex des Koppelelements 68 sowie von dessen Länge in Richtung der Längsrichtung 13 ab. Das elektronische Bauelement erzeugt elektrische Signale, die in an sich herkömmlicher Weise ausgewertet werden können. Weitere zur Auswertung erforderlichen Halbleiterbauelemente können z.B. neben dem Koppelelement 68 auf dem Lichtleiter 62 aufgebracht sein. Das Koppelelement 68 bildet somit, zusammen mit den darüber liegenden Schichten, einen Sensor zur Detektion von im Lichtleiter 62 geführten Licht 67.The cladding 66 of the light guide 62 carries along a section a coupling element 68 in the form of a cladding-shaped layer, which consists of a glass or a semiconductor with the same or a higher refractive index than the cladding 66. Further layers are applied to the coupling element 68, of which only the layers 70a, 70b and 70c are shown in FIG. 5 by way of example. These layers are semiconductor layers and possibly also functional layers made of other materials, which together form an electronic component, for example a sensor, which can be coupled to an amplifier element. During operation, the coupling element 68 couples out a (small) part of the light 67 guided in the light guide 62 and into the electronic component above it. The amount of light coupled out by the coupling element 68 depends in particular on the refractive index of the coupling element 68 and on its length in the direction of the longitudinal direction 13. The electronic component generates electrical signals that can be evaluated in a conventional manner. Further semiconductor components required for evaluation can be applied, for example, next to the coupling element 68 on the light guide 62. The coupling element 68 thus forms, together with the layers above, a sensor for the detection of light 67 guided in the light guide 62.
Grundsätzlich möglich ist allerdings auch, als elektronisches Bauelement durch ein lichterzeugendes optoelektronisches Bauelement zu verwenden, um davon erzeugtes Licht mit Hilfe des Koppelelements 68 in den Lichtleiter 62 einzukoppeln.In principle, however, it is also possible to use the electronic component through a light-generating optoelectronic component in order to couple light generated therefrom into the light guide 62 with the aid of the coupling element 68.
Fig. 6 und 7 zeigen rein schematisch einen Faserverbund 82, der aus einer Mehrzahl von sich kreuzenden Fasern 80, 80a besteht, die an Kreuzungspunkten 84 eine gemeinsame Grenzfläche bilden. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß die Funktion eines elektronischen Bauelements 86 erst in Zusammenwirken mit dieser Grenzfläche erzielt wird. Bei dem so gebildeten Bauelement 86 könnte es sich beispielsweise um ein lichtemittierendes Element handeln, das Licht emittiert, wenn beide Fasern 80, 80a mit einer Spannung U+ bzw. U- verbunden sind. Zur Ansteuerung sind die Querfasern über Schalter 87, 88, 89 mit U+ verbunden, während die Längsfasern über Schalter 90, 91, 92, 93, 94 mit U- verbunden sind. Bei geschlossenen Schaltern wird an dem betref- fenden Kreuzungspunkt 84 Licht emittiert, wie in Kombination mit den beiden geschlossenen Schaltern 87, 90 am Kreuzungspunkt 84 durch die Strahlung 27 angedeutet ist. Auf diese Weise kann eine großflächige Anzeige realisiert werden, deren Punkte einzeln adressierbar sind. 6 and 7 show purely schematically a fiber composite 82 which consists of a plurality of intersecting fibers 80, 80a which form a common interface at intersection points 84. The arrangement is such that the function of an electronic component 86 is only achieved in cooperation with this interface. The component 86 formed in this way could, for example, be a light-emitting element which emits light when both fibers 80, 80a are connected to a voltage U + or U-. For control purposes, the transverse fibers are connected to U + via switches 87, 88, 89, while the longitudinal fibers are connected to U- via switches 90, 91, 92, 93, 94. When the switches are closed, the relevant fenden crossing point 84 emits light, as indicated in combination with the two closed switches 87, 90 at the crossing point 84 by the radiation 27. In this way, a large-scale display can be realized, the points of which can be individually addressed.

Claims

Patentansprüche claims
1. Faser mit einem Faserkern (12; 62), auf dem mindestens eine Halbleiterschicht (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c), aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Halbleiterschicht (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) Teil eines elektronischen Bauelements ist.1. Fiber with a fiber core (12; 62), on which at least one semiconductor layer (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) is received, characterized in that the at least one semiconductor layer (16, 18, 20; 70a , 70b, 70c) is part of an electronic component.
2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Halbleiterschichten (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) mindestens eine gemeinsame Funktionsfläche aufweisen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.2. Fiber according to claim 1, characterized in that at least two semiconductor layers (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) have at least one common functional surface which is part of the electronic component.
3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) auf einem Faserkern (12; 62) aufgenommen sind.3. Fiber according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor layers (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) are received on a fiber core (12; 62).
4. Faser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschichten (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) in einer zu einer Längsrichtung (13) des Faserkerns (12; 62) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.4. Fiber according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a plurality of semiconductor layers (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) are arranged one above the other in a direction perpendicular to a longitudinal direction (13) of the fiber core (12; 62) ,
5. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschichten (16a, 16b, 18a, 18b, 20a, 20b) entlang einer Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) hintereinander oder entlang eines Längenabschnitts der Faser nebeneinander angeordnet sind. 5. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of semiconductor layers (16a, 16b, 18a, 18b, 20a, 20b) along a longitudinal direction (13) of the fiber core (12) are arranged one behind the other or along a length of the fiber side by side.
6. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Funktionsschicht (14, 22, 24; 68), die nicht aus einem Halbleiter besteht.6. Fiber according to one of the preceding claims, characterized by at least one functional layer (14, 22, 24; 68) which does not consist of a semiconductor.
7. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Halbleiterschichten (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) oder Funktionsschicht (en) (14, 22, 24; 68) als den Faserkern (12; 62) mit annähernd gleichförmiger Schichtstärke umschließende Mantelschicht ausgeführt ist.7. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the semiconductor layers (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) or functional layer (s) (14, 22, 24; 68) as the fiber core (12; 62) with an approximately uniform layer thickness surrounding the cladding layer.
8. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente in einer zur Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.8. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of electronic components are arranged one above the other in a direction perpendicular to the longitudinal direction (13) of the fiber core (12).
9. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Halbleiterschichten (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) oder Funktionsschicht (en) wenigstens ein elektronisches Bauelement bilden, das eine Umwandlung von Strahlungsenergie, insbesondere optischer Energie, in elektrische Energie oder von elektrischer Energie in Strahlungsenergie erlaubt, das als Sensor oder Elektrode zur Erfassung oder Abgabe von elektrischen oder elektrochemischen Signalen ausgebildet ist, oder das zur Verarbeitung von elektrischen Signalen ausgebildet ist.9. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the semiconductor layers (16, 18, 20; 70a, 70b, 70c) or functional layer (s) form at least one electronic component which converts radiation energy, in particular optical energy , in electrical energy or electrical energy in radiation energy, which is designed as a sensor or electrode for detecting or emitting electrical or electrochemical signals, or which is designed for processing electrical signals.
10. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente in einer zur Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind. 10. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of electronic components are arranged one above the other in a direction perpendicular to the longitudinal direction (13) of the fiber core (12).
11. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente (28a, 28b) entlang der Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) hintereinander oder entlang eines Längenabschnittes der Faser nebeneinander angeordnet sind.11. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of electronic components (28a, 28b) along the longitudinal direction (13) of the fiber core (12) one behind the other or along a length of the fiber are arranged side by side.
12. Faser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) mehrere elektronische Bauelemente (28a, 28b) derart verschaltet sind, daß eine Kontaktschicht (22a) eines Bauelements (28a) elektrisch leitend mit einer Kontaktschicht (14b) eines benachbarten Bauelements (28b) verbunden ist.12. Fiber according to claim 11, characterized in that along the longitudinal direction (13) of the fiber core (12) a plurality of electronic components (28a, 28b) are connected such that a contact layer (22a) of a component (28a) is electrically conductive with a contact layer (14b) of an adjacent component (28b) is connected.
13. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkern (64) ein Lichtleiter (62) oder ein elektrischer Leiter ist.13. Fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber core (64) is a light guide (62) or an electrical conductor.
14. Faser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Lichtleiter (62) wenigstens ein Koppelelement (68) vorgesehen ist, durch das Licht aus dem Lichtleiter (62) auskoppelbar oder in diesen einkoppelbar ist.14. Fiber according to claim 13, characterized in that on the light guide (62) at least one coupling element (68) is provided, through which light can be coupled out of the light guide (62) or can be coupled therein.
15. Faserkombination mit mindestens zwei Fasern (86, 86a), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche die jeweils mindestens eine Halbleiterschicht aufweisen, wobei mindestens eine Kontaktstelle (84) zwischen den Fasern (86, 86a) Teil eines elektronischen Bauelements (86) ist.15. Fiber combination with at least two fibers (86, 86a), in particular according to one of the preceding claims, each having at least one semiconductor layer, at least one contact point (84) between the fibers (86, 86a) being part of an electronic component (86).
16. Elektronische Schaltung mit wenigstens einer Faser (10; 50; 60; 80, 80a; 100, 100a, 100b, 100c) oder Faserkombination (82; 102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die min- destens ein elektronisches Bauelement (28a,b; 86) aufweist, die als Teil einer Solarzelle, einer optischen Anzeige, eines Sensors oder einer Elektrode für optische, elektrische oder elektrochemische Signale ausgebildet ist.16. Electronic circuit with at least one fiber (10; 50; 60; 80, 80a; 100, 100a, 100b, 100c) or fiber combination (82; 102) according to one of the preceding claims, the min- at least has an electronic component (28a, b; 86) which is designed as part of a solar cell, an optical display, a sensor or an electrode for optical, electrical or electrochemical signals.
17. Elektronische Schaltung mit einer Mehrzahl von Fasern oder Faserkombinationen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die vorzugsweise an Faserenden oder Kreuzungspunkten (86) der Fasern (10; 50; 60; 80, 80a) elektrisch miteinander verschaltet sind.17. Electronic circuit with a plurality of fibers or fiber combinations according to one of claims 1 to 15, which are preferably electrically connected to one another at fiber ends or crossing points (86) of the fibers (10; 50; 60; 80, 80a).
18. Textiles Produkt, insbesondere Gewebe, Gelege, Gestrick, Geflecht, Gewirk, mit wenigstens einer Faser (10; 50; 60; 80, 80a), Faserkombination oder elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.18. Textile product, in particular fabric, scrim, knitted fabric, braid, knitted fabric, with at least one fiber (10; 50; 60; 80, 80a), fiber combination or electronic circuit according to one of claims 1 to 17.
19. Textiles Produkt nach Anspruch 18, das als eine räumlich ausgedehnte Struktur aufweist, insbesondere Abstandsgewebe, Abstandsgewirk, 3D-Formgestrick, 3-D-Geflecht , 3-D-Gewirk, 3-D-Gewebe. 19. Textile product according to claim 18, which has a spatially extended structure, in particular spacer fabric, spacer fabric, 3D shape knitted fabric, 3-D braid, 3-D fabric, 3-D fabric.
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