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[5][_]
Molecule
(8/ 45)
[6][_]
GaAs
(23)
[7][_]
I2
(10)
[8][_]
InGaAsP
(3)
[9][_]
InP
(3)
[10][_]
GaAlAs
(2)
[11][_]
I2V2
(2)
[12][_]
SEMI
(1)
[13][_]
GaSb
(1)
[14][_]
Gene Or Protein
(5/ 45)
[15][_]
Etre
(31)
[16][_]
Est-a
(11)
[17][_]
DANS
(1)
[18][_]
Tif
(1)
[19][_]
NinD
(1)
[20][_]
Physical
(18/ 21)
[21][_]
30 percent
(2)
[22][_]
70 percent
(2)
[23][_]
50 percent
(2)
[24][_]
de 1,3 micrometres
(1)
[25][_]
1 percent
(1)
[26][_]
15 percent
(1)
[27][_]
1 percent de
(1)
[28][_]
de 60 percent
(1)
[29][_]
de 30 percent
(1)
[30][_]
de.70 percent
(1)
[31][_]
1,2 volt
(1)
[32][_]
1,6 volts
(1)
[33][_]
4 percent
(1)
[34][_]
35 percent
(1)
[35][_]
de 50 percent
(1)
[36][_]
de 70 percent
(1)
[37][_]
de 50 percent de
(1)
[38][_]
10 percent
(1)
[39][_]
Polymer
(1/ 3)
[40][_]
Rayon
(3)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2521352A1
Family ID 2159161
Probable Assignee Itt
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF EMETTEUR DE LUMIERE A SEMI-CONDUCTEUR
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION COMPREND UNE SOURCE DE LUMIERE 16 RAYONNANT DE LA LUMIERE
DANS TOUTES LES DIRECTIONS ET AU MOINS UN PHOTO-DETECTEUR 14, 15
COUPLE A LA SOURCE POUR CONVERTIR LA LUMIERE EN ENERGIE ELECTRIQUE ET
LA FOURNIR A LADITE SOURCE POUR EN AMELIORER LE RENDEMENT.
L'INVENTION S'APPLIQUE AUX DIODES ELECTROLUMINESCENTES ET AUX DIODES
LASER.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne les dispositifs emetteurs de lumiere a
semi-conducteur et plus particulierement les dispositifs emetteurs de
lumiere a semi-conducteur presentant un rendement eleve pour la
conversion de la puissance.
Pour tout ce qui concerne la presente invention, le dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur inclut les lasers a diodes a
semi-conducteur et les diodes electroluminescentes (DEL).
La figure 1 donne a titre d'exemple une structure deja realisee d'une
diode electroluminescente a semi-conducteur. Ce dispositif contient
des couches epitaxiales de compositions differentes realisees sur un
substrat GaAs. Les DEL faites de materiaux autres que ceux presentes a
la figure 1 ont des conceptions operation- nelles et des structures
similaires. L'application d'une difference de tension aux contacts
metalliques provoque le passage d'un courant electrique dans le
dispositif.
L'electricite est transformee en lumiere dans le support actif GaAs.
De la lumiere est emise par une ou les deux extremites du dispositif.
Les memes structures a couches existent dans une DEL qui emet de la
lumiere par une ouverture realisee dans le substrat GaAs-n comme il
apparait dans la figure 2.
Deux proprietes habituellement demandee a une DEL ou a un laser sont
un rendement eleve pour la conversion de la puissance et une faible
puissance de modulation en entree. Le rendement eleve pour la
conversion de la puissance est necessaire puisqu'il reduit l'energie
electrique requise en entree et, deuxiemement, diminue l'energie
gaspillee qui peut provoquer l'echauffement du dispositif. Ce deuxieme
effet est particulierement genant pour les dispositifs comme les
lasers InGaAsP/InP de 1,3 micrometres (m) qui sont tres sensibles aux
variations de la temperature. De plus, l'echauffement a pour
consequence generale de limiter la plage d'utilisation des lasers et
des
DEL. La necessite d'une faible puissance de modulation intervient au
niveau des exigences concernant les circuits electriques utilises pour
la modulation.Lorsque l'amplitude de la modulation est faible, les
circuits dissipent peu de puissance, travaillent bien aux hautes
frequences et sont economiques a realiser. Dans les systemes de
communication a longue distance a fibres, la diminution de la
puissance de modulation d'attaque procure des avantages pour les
circuits des repeteurs. De plus, si la puissance de modulation est
assez faible, les DEL et les lasers peuvent etre attaques directement
par des signaux lumineux seuls. Les lasers et les DEL deja realises
ont #un rendement total de conversion de la puissance electrique en
signaux optiques atteignant 30 percent au mieux; les chiffres courants
sont 1 percent pour les DEL et 15 percent pour les lasers. Pour ces
memes dispositifs, une modulation directe de toute la puissance
d'alimentation est necessaire pour obtenir une modulation complete de
la sortie.
Les raisons des inconvenients mentionnes ci-dessus des lasers et des
DEL actuels sont precisees dans ce qui suit.
Comme il apparat aux figures 1 et 2, la lumiere est engendree dans le
support actif A2-GaAs intercale dans une structure multi-couches.
Avant le declenchement de l'effet laser qui peut provoquer l'emission
de lumiere dans un faisceau etroit, la lumiere engendree dans une DEL
est, en realite, rayonnee dans toutes les directions a ltinterieur du
dispositif. Dans le cas du dispositif a emission laterale de la figure
1, seule la iumiare qui, par hasard, rayonne a peu pres
perpendiculairement a la facette emettrice peut sortir du dispositif.
La plupart des rayons lumineux sont directement ou indirectement
absorbes dans la couche superieure de GaAs ou dans les parties du
support actif qui ne recoivent aucun courant electrique ou dans le
materiau du substrat GaAs qui est opaque a la lumiere emise.Lorsque la
lumiere est absorbee sans etre retransformee en electricite, il y a
gaspillage d'energie. La plupart des DEL du commerce transforment 1
percent de la puissance electrique en lumiere dic?onible a la sortie.
La principale raison expliquant ce faible rendement est l'emission non
directionnelle deja mentionnee et l'absorption ulterieure dans les
autres couches du dispositif. Certains dispositifs ont ete realises
afin que les couches absorbantes qui sont necessaires pour les
connexions electriques soient deposees sur la peripherie; en
consequence, la lumiere peut etre Remise par une couche transparente
et en forme de lentille de GaAlAs, au centre.
Cette lentille permet a un plus grand pourcentage de la lumiere d'etre
refractee, et, par consequent rayonnee vers l'exterieur. Toutefois, la
fabrication de la lentille complique la realisation du dispositif et
le rendement maximum obtenu pour la conversion de la puissance est
limite a 30 percent environ. Bien que d'autres dispositifs emetteurs
de lumiere comme les lasers puissent presenter un rendement instantane
de 60 percent pour cette conversion, ce chiffre s'atteint seulement
lorsque le dispositif est attaque au dela du seuil de declenchement de
l'effet laser. Ainsi, le rendement total de la conversion de la
puissance est en realite proche de 30 percent ou inferieur a ce
chiffre.
Un objet de la presente invention est de realiser un dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur presentant un rendement accru
dans la conversion de la puissance et de diminuer le-courant de
modulation de ces dispositifs.
Un autre objet de la presente invention est de realiser un nouveau
discosi-tif emetteur de lumiere a semi-conducteut qui puisse produire
les exigences de puissance de.70 percent et permettre l'emploi d'une
puissance de modulation en entree pouvant etre reduit jusque un-
dixieme- ae celle des dispositi..s existant-#actuellement sur le
marche. -
Un autre objet de la presente invention est de realiser un dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur qui capture et reutilise la
lumiere diffuse emise dans le dispositif par une source emettrice de
lumiere.
Une caracteristique de la presente invention est un dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur compose des elements suivants:
une structure semi-conductrice contenant une source emettrice de
lumiere emettant de la lumiere a partir de la structure et rayonnant
la lumiere dans toutes les directions dans la structure; et un
photo-detecteur au moins forme dans la structure couplee a la source,
le photo-detecteur convertissant la lumiere dans la structure en
energie electrique et couplant l'energie electrique a la source pour
donner au dispositif emetteur de lumiere un meilleur rendement pour la
conversion de la puissance et la possibilite de fonctionner avec une
faible puissance de modulation en entree.
Deux approches peuvent etre utilisees pour recueillir la lumiere
diffuse dans un dispositif emetteur de lumi#ere a semi-conducteur. La
premiere consiste a deposer des revetements hautement reflechissants
sur la surface emettrice de la source emettrice de lumiere. La lumiere
diffuse peut etre renvoyee dans la region emettrice du support actif
pour stimuler la poursuite de l'emission.
L'inconvenient de cette methode est que, a cause de la divergence de
la lumiere, seule une petite partie de la lumiere reflechie est
renvoyee a l'emplacerr#ent original d'emission. Le reste est renvoye
vers des parties du support actif absorbant qui ne sont pas excitees
par le courant electrique externe. Dans ce cas, la lumiere ne stimule
pas d'emission; elle est perdue.
La deuxieme approche presentee ici consiste a incorporer des
photo-detecteurs dans le dispositif lui-meme. L'idee generale est de
fabriquer des photo-detecteurs internes couvrant des parties de la
zone emettrice de la source emettrice de lumiere. Lorsque la lumiere
frappe le detecteur, elle est transformee en un courant electrique
qui, contrairement a la lumiere, est beaucoup plus facile a
re-acheminer dans le dispositif. Le courant electrique converti peut
etre utilise pour re-exciter la source emettrice de lumiere. Ainsi, il
y a recyclage de l'energie et minimisation du gaspillage.
Les differents objets et caracteristiques de l'invention seront
maintenant exposes de facon plus detaillee dans la description qui va
suivre, donnee a titre d'exemple non limitatif, et faite en se
referant aux figures annexees qui representent - les figures 1 et 2,
deux dispositifs emetteurs de lumiere a semi-conducteur de la
technique connue deja examines dans ce qui precede - les figures 3 et
4, des schemas utiles pour expliquer les principes de la presente
invention - la figure 5, une illustration schematique d'un dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur realise conformement aux
principes de la presente invention - la figure 6, une illustration
schematique d'un deuxieme dispositif emetteur de lumiere a
semi-conducteur realise conformement aux principes de la presente
invention;; - la figure 7, un circuit equivalent de la forme de
realisation de la figure 6 - la figure 8, une illustration schematique
d'un troisieme dispositif emetteur de lumiere a semi-conducteur
realise conformement aux principes de la presente invention; et - la
figure 9, un circuit equivalent a la forme de realisation de la figure
8.
La figure 3 est une analogie par circuits electriques qui resume en
termes classiques les principes de la presente invention. Une
alimentation 1 de tension V1 transmet un courant Il, designe par le
caractere 2, dans une DEL 3 qui transforme l'electricite en lumiere 4.
La tension V1 minimale requise pour exciter la DEL 3 est la tension
directe VF de la DEL 3. Pour cette raison, V1 doit etre superieure a
VF. La lumiere 4 illumine un detecteur photovoltalque 5 et genere un
courant I2 designe par 6.
Une tension VD est egalement generee dans le detecteur. Si une charge
etait connectee aux points 7 et 8, le detecteur photovoltaique 5 lui
fournirait de l'energie. Puisque la
DEL 3 a besoin d'une puissance electrique en entree, alors que le
detecteur 5 fournit de la puissance, la conservation de l'energie est
possible si la DEL 3 et le detecteur 5 peuvent etre connectes de facon
appropriee. La figure 4 illustre cette connexion dans laquelle la DEL
3 et le detecteur 5 de la figure 3 sont relies dans un circuit. Il est
evident que la figure 4 ressemble a la figure 3 si d'une part les
points 7 et 9 de la figure 3 sont connectes et d'autre part les
points8 et 10 sont connectes egalement ensemble. La DEL 3 de la figure
4 a encore un courant I1 fourni par l'alimentation 1.
Toutefois, du fait de l'eclairage du detecteur 5, un courant 12
indique par 6 est renvoye par le detecteur 5.
Ainsi, la somme des courants (I1 + 12) indiquee par 12 circule dans la
DEL 3. Une deuxieme alimentation 11 est connectee en serie avec le
detecteur 5 pour augmenter la tension aux points 7 et 8.
L'alimentation 11 est inseree dans le circuit pour etre certain que le
potentiel electrique dans le detecteur 5 et l'alimentation 11 concorde
a celui de l'alimentation 1. Ceci permet au courant 6 de circuler dans
la DEL 3. La condition desiree s'exprime par V1 = VD + V2. Si la DEL 3
et le detecteur 5 sont faits des memes materiaux, il faut utiliser
l'alimentation 11. Ceci resulte du fait que la tension minimale VF
requise pour exciter la DEL 3 depasse generalement la tension
photovoltaique VD qui peut etre produite dans le detecteur
5.Toutefois, si l'on utilise un montage approprie constitue de
plusieurs detecteurs au lieu du detecteur 5 et si intervient une
evolution dans la realisation des detecteurs, les alimentations
externes comme l'alimentation 11 peuvent etre supprimees. Les formes
presentees ici representent des applications pour lesquelles
l'alimentation 11 n'est pas necessaire.
L'economie de puissance realisee a l'aide du circuit de la figure 4
peut etre calculee. La puissance fournie par l'alimentation 1 est I
1V1. Une expression semblable
I2V2 s'applique a l'alimentation 11. La puissance externe totale
requise est egale a (I1V1 + I2V2). Ceci peut etre compare au cas dans
lequel la DEL 3 fonctionne sans le detecteur 5 et sans l'alimentation
11. Pour obtenir la meme puissance optique provenant de la DEL 3, la
puissance externe requise est (I1 + I2)V1.L'economie de puissance
realisee par le circuit de la figure 4 est egale a la difference entre
(I1+I2)V1 et (11V1 +12V2), c'est-a-dire I2 (V1 - V2). Un parametre
significatif est constitue par le rapport de la puissance economisee
par rapport a la puissance externe qui aurait ete consommee par la DEL
3 en l'absence du detecteur 5 et de l'alimentation 11. Ce rapport est
(12 (V1 - V2))/(I1 + 12) 1 ou plus simplement. less than VD/V1, Si
l'on utilise les identites suivantes nl = rendement quantique de la
(1) and alpha =I2/(I1 + 12) ninD# DEL 3 nD = rendement quantique du
V1 = V2 + VD detecteur 5 ss = rendement du couplage optique entre la
DEL 3 et le detecteur 5 et o(est un parametre d'efficacite qui
s'obtient en tenant compte du fait que le courant I2 dans le detecteur
photovolta#que 5 est proportionnel a un facteur nD du flux lumineux
incident net provenant de la DEL 3, et du fait que ce flux est une
partie g de la lumiere totale de la
DEL 3 qui, a son tour, emet de la lumiere dans une proportion n, par
rapport au courant qu'elle recoit (I1 + I2).
La presente invention va demontrer que le facteur de conservation de
la puissance g VD/V1 peut atteindre 70 percent avec des constructions
nouvelles combinant la DEL 3 (ou un laser) et le detecteur en un meme
dispositif. Cela procure un avantage decisif puisque les performances
de certains dispositifs emetteurs de lumiere comme les lasers
InGaAsP/InP sont tres sensibles a la chaleur. Par consequent, en
diminuant la puissance dissipee dans le dispositif, on obtiendra une
grande stabilite thermique et une fiabilite a long terme. A tire de
comparaison, une estimation du facteur VD/V1 qui peut etre atteint a
l'aide des dispositifs discrets actuellement disponibles sera donnee.
Par hypothese, la DEL 3 et le detecteur 5 seront consideres comme des
dispositifs au GaAlAs/GaAs.
Les meilleures valeurs signalees pour nD,nl et B sont respectivement
0,9, 0,2 et 0,3. Ces valeurs donnent s - 0,054. Si VD egale 1,2 volt
et V1 1,6 volts, le facteur#
VD/V1 est egal a 0,04 ou 4 percent, c'est-a-dire tres inferieur aux 70
percent estimes pour un dispositif soumis dans ce document. Avec une
DEL discrete et un detecteur discret, no et ss sont inevitablement
faibles: nl est faible parce que, comme il a-ete dit precedemment,
seule une partie de la lumiere generee dans une DEL peut etre extraite
et B est faible parce que l'emission provenant d'une DEL est trop
divergente pour que le couplage avec le detecteur ait un bon
rendement. Ces faiblesses sont largement surmontees par l'integration
de la DEL et du detecteur en un seul dispositif, comme il est decrit
ci-dessous.
L'autre avantage des dispositifs proposes est la diminution de la
puissance de modulation qui doit leur etre fournie par des sources
externes. Habituellement, dans une DEL discrete, tout le courant doit
subir une variation pour produire une sortie optique modulee. En
revanche, pour les appareils dont un exemple est donne par la DEL 3 de
la figure 4, il suffit de moduler I1 puisque 12 re-sulte dans le
detecteur 5 de l'action de 11.
L'equation (1), I1 = (1 -) (I1 + I2) montre que le courant externe
module I1 dans la DEL 3 de la figure 4 est (1 -) du courant total de
la DEL. Comme on le montrera plus loin, i peut atteindre 0,9 dans les
dispositifs proposes. Pour cette raison, la valeur de I1 peut etre
diminue jusqu a un dixieme de (II + 12). La nouvelle valeur reduite de
II a pour effet de diminuer fortement les contraintes severes imposees
aux circuits externes.
La figure 5 illustre schematiquement une premiere forme du dispositif
emetteur de lumiere a semi-conducteur de la presente invention, la
composition des differentes couches etant donnee a la Table I
TABLE I
Couche Materiau Epaisseur (m) 13 Au-Ge 0,2 14 GaAs type n 80,0 15
Ga0,7A10,3As type p 1,5 16 GaAs 0,1 17 Ga0,7Al0,3As type n 1,5 18 GaAs
type n 0,5 19 Au-Ge 0,2 20 GaAs type p 0,1 21 Au-Cr 0,2
Les compositions et les produits exacts peuvent varier en fonction de
l'usage particulier auquel un dispositif doit etre soumis. Par
exemple, les materiaux comme InGaAsP, InP, GaAlSb, et GaSb sont
utilises pour fabriquer les DEL et les lasers. Aussi, d'autres
materiaux peuvent etre utilises en remplacement dans le dispositif de
la figure 5.Les elements essentiels a la construction sont le type du
dopage (n ou p), et l'ordre des couches de type p et de type n. Ces
facteurs determinent les domaines emetteur et detecteur de lumiere du
dispositif. Il faut noter qu'un dispositif semblable a celui de la
figure S peut etre realise avec les memes compositions, mais en
inversant exactement le type du dopage de chaque couche (n remplace p
et vice-versa), Au-Ge et Au-Cr etant echanges le cas echeant.
La partie DEL se compose des couches 15 a 21. La couche 16 est le
support actif qui transforme l'electricite en lumiere. Les couches 15
et 17 sont choisies pour leur transparence a la lumiere provenant de
la couche 16. Les couches 18 a 21 sont utilisees pour les connexions
electriques. La partie detecteur photovoltaique se compose des couches
13 a 15. Les zones de la couche 14 proche de sa jonction avec la
couche 15 absorbent la lumiere provenant de la couche 16. La DEL est
excitee par un courant 2 provenant de l'alimentation 1 par les
contacts 19 et 21. Les rayons lumineux 22 et 23 sont rayonnes dans le
dispositif. Le rayon 23 est absorbe dans la couche 18 de GaAs-n et
n'est pas transforme en courant electrique.Le rayon 22 est incident a
la jonction detectrice de lumiere entre les couches 14 et 15 qui
forment le detecteur photovqltaque. Un courant I2 designe par 6 et une
tension VD entre les couches 14 et 15 sont engendres par les rayons
representes par 22. Une alimentation 11 est connectee en serie avec le
detecteur photovoltaTque et transmet un courant 6 par le contact 19
dans la DEL formee par les couches 15 a 21. On peut constater que la
figure 5 comprend le schema de la figure 4, sauf que la DEL 3 et le
detecteur 5 discrets de la figure 4 sont integres dans un seul
dispositif a croissance epitaxiale compose des couches 13 a 21. te
facteur deja mentionne de conservation de la puissance #;VD/V1 peut
etre estime en utilisant la figure 5.Le courant 6 a l'amplitude I2
deja indiquee et le courant 2 a une valeur designee par Il. Les
rendements quantiques nl et nD du dispositif de la figure 5 sont
proches de 1. Ceci resulte du fait que la conversion
electrique/optique et son inverse ont lieu en interne, dans le
dispositif. C'est pour cette raison que les rendements sont tres
forts.
L'efficience du couplage ss entre la DEL et le detecteur est de 0,5
environ parce que seule la moitie de la lumiere emise par la couche 16
est dirigee vers le bas, c'est-a-dire vers la couche 14. Une petite
partie de la lumiere, de l'ordre de 0,01, est perdue par les cotes de
la couche 16. Le facteur g etant, nl nD, on obtient donc pres de 0,5.
Le rapport VD/V1 est de l'ordre de 0,7.
Ainsi, le facteur de conservation de la puissance est 0,35 ou 35
percent. Ce dernier chiffre est vrai lorsque le dispositif de la
figure 5 est utilise comme DEL ou comme laser. Dans les deux cas, le
rendement depasserait les meilleurs resultats obtenus par la technique
actuelle. En ce qui concerne la reduction en pourcentage du courant de
modulation fourni par une source externe, (1 - and alpha) donne une
diminution de 50 percent ( and alpha = 0,5), c'est-a-dire une amelio-
ration importante accompagnant l'effet de conservation de la
puissance.
Un deuxieme exemple de realisation de 1' invention est fourni a la
figure 6. Pour ce dispositif, le facteur de conservation de la
puissance est 0,5, c'est-a-dire plus eleve que celui du dispositif de
la figure 5. La figure 6 est tres semblable a la figure 5, a
l'exception d'un detail.La composition des materiaux convenant pour
les couches de la figure 6 se trouve a la Table Il
TABLE Il
Couche Composition Epaisseur (m3 13 Au-Ge 0,2 14 GaAs type n 80,0 15
Ga0,7Al0,3As type p 1,5 16 GaAs 0,1 17 Ga0,7Al013As type n 1,5 18 GaAs
type p. 0,5 19 Au-Cr 0,2 20 GaAs type p 0,1 21 Au-Cr 0,2 24 GaAs type
n 0,2 25 Au-Ge 0,2
Comme il a ete dit precedemment, les elements importants sont ici le
type du dopage et l'organisation sequentielle des couches de type n et
de type p. Les compositions et les materiaux utilises peuvent etre
modifies pour comprendre d'autres semi-conducteurs mentionnes
ci-dessus, en fonction de l'application.
L'interconnexion entre les couches 13 et 19 peut etre interne ou
externe, deposee par croissance epitaxiale ou metallisation.
L'inversion des types de dopage (p en n et vice-versa) dans le
dispositif permettrait de produire une autre forme de la presente
invention, si l'echange de
Au-Cr et de Au-Ge est egalement realise. La figure 6 differe de la
figure 5 essentiellement quant au dopage de la couche 18, dont le
GaAs-n est remplace par du GaAs-p.
De ce fait, un detecteur photovolta#que supplementaire p-n est forme a
la jonction des couches 17 et 18. La couche 19 est un oontact pour ce
detecteur. Les couches 24 et 25 forment un contact electrique pour la
DEL constituee des couches 15 a 17, l'autre contact electrique etant
fait des couches 20 et 21. Le domaine actif de la DEL demeure la
couche 16.
La combinaison des couches 13 a 15 correspond au detecteur
photovoltalque de la figure 5. Le dispositif de la figure 6 opere
selon les memes principes que celui de la figure 5. Le detecteur
photovoltalque supplementaire forme par les couches 17 et 18 de la
figure 6 absorbe les rayons comme le rayon 23, provenant de la couche
16. Cette absorption genere une tension dans les couches 17 et 18 et
un courant 6 qui circule dans le detecteur inferieur forme par les
couches 14 et 15. Ainsi, pour l'essentiel, les deux detecteurs
photovoltaiques sont connectes en serie et tous deux sont eclaires par
la lumiere generee par la DEL en sortie. Le detecteur superieur
compose des couches 17 et 18 remplace simplement l'alimentation
externe 11 de la figure 5. La figure 7 presente le circuit equivalent
de la figure 6. Le detecteur 26 est forme par les couches 17 a 19 de
la figure 6, comme il a ete mentionne precedemment.
Puisque les detecteurs 5 et 26. sont faits des memes materiaux, la
meme tension VD photo-enaendrse existe dans les deux detecteurs. Par
consequent, une tension 2VD existe aux points 27 et 18 de la figure 7.
Pour permettre aux detecteurs 5 et26 d'injecter le courant 6 dans la
DEL 3, 2VD doit etre au moins egale a la tension V1 fournie par
l'alimentation 1 dans 27 et 18. L'examen de l'amplitude relative de
2VD et V1 sera facilite par les rappels suivants
VF = tension directe d'une DEL, c'est-a-dire la tension minimale V1
requise pour exciter la DEL 3.
Vioc= tension circuit ouvert d'un detecteur photovoltaique,
c'est-a-dire la tension VD maximale que la lumiere peut generer dans
le detecteur 5 ou dans le detecteur
26. Au dela de Vocf un generateur voltaique absorbera le courant au
lieu de le fournir a la charge externe.
Voc est environ 0,8 VF si la region absorbante d'un detecteur
photovoltarque a la meme composition que le support actif d'une DEL.
La tension V1 normale utilisee pour faire fonctionner une DEL est a
peu pres de 1,2 VF
Ces informations indiquent que 2VD peuvent representer au maximum 1,6
VF, c'est-a-dire une valeur qui generalement est superieure a V1.
Toutefois, la tension aux bornes de la combinaison des generateurs
photovolta#ques est determinee par la tension de la charge externe.
Jusqu'au moment ou 2VD est forcee a sa limite superieure 2Voc, les
detecteurs 5 et 26 continuent a fournir le courant 6 a la tension V1
etablie par l'alimentation 1.En d'autres termes, la relation 2VD = V1
reste vraie tant que 2VD est inferieure a 2Voc. Le facteur de
conservation oc VD/V1 de la forme presentee a la figure 6 est proche
de 0,5 ou 50 percent. Ce chiffre s'obtient comme suit: Le facteur
VD/V1 a ete calcule selon l'hypothese d'apres laquelle un seul
detecteur comme le detecteur 5 etait inclus a la figure 4.
La discussion consacree a la figure 4, indiquait qu'il etait possible
d'utiliser plusieurs detecteurs photovoltaiques au lieu du detecteur 5
pour augmenter VD et pour eliminer l'alimentation 11. La faisabilite a
ete demontree par l'emploi des detecteurs 5 et 26 de la figure 7. Par
consequent, le facteur g VD/VI devrait donc etre #(2VD/VI) pour le
circuit de la figure 6. Mais, puisque 2VD = V1 comme il a ete dit
precedemment pour les detecteurs en serie de la figure 6, le facteur
de conservation se reduit simplement au parametre rendement. Les
rendements quantiques nl et nD sont a nouveaux proches de l'unite car
la lumiere est rayonnee et absorbee dans le dispositif.Le rendement du
couplage B est egal a 0,5 parce que les detecteurs 5 et 26 sont en
serie et que chacun absorbe la moitie de l'emission de la couche 16.
etant egal a g nl nD, est a peu pres egal a 0,5.
Si on la compare a la forme de la figure 5, la forme de la figure 6
permet de se passer de l'alimentation externe Il et d'obtenir un
meilleur facteur de conservation de la puissance: 0,5. La diminution
du courant de modulation externe demeure a 50 percent, puisque est
encore egal a 0,5.
Une troisieme forme de la presente invention apparait a la figure 8.
La geometrie des couches et leurs compositions sont identiques a
celles de la figure 6, elles sont precisees dans le texte precedent, a
la Table II. Les seules differences concernent la connexion des
detecteurs photovoltaiques et de la DEL. Un schema du circuit de la
forme de la figure 8 est presente a la figure 9. La correspondance
entre les composants des figures 8 et 9 est la meme que celle existant
pour les figures 6 et 7. La DEL 3 est composee des couches i5 a 17; le
detecteur 5 se compose des couches 13 a 15 et les couches 17 a 19
constituent le detecteur 26.
L'interconnexion entre les contacts 19 et 21 et l'interconnexion entre
les contacts 13 et 25 de la figure 8 peut etre externe ou integree;
dans le deuxieme cas, l'interconnexion est deposee par croissance
epitaxiale ou par metallisation. Le mecanisme de generation et
d'absorption de la lumiere dans le dispositif de la figure 8 a deja
ete examine pour la figure 6. La nouvelle caracteristique de la figure
8 est que les courants provenant des detecteurs 5 et 26 peuvent etre
renvoyes en parallele dans la DEL 3. Un examen plus pousse de la
figure 9 montre que la combinaison en serie du detecteur 5 et de
l'alimentation 11 est en fait connectee en parallele avec la
combinaison du detecteur 26 et de l'alimentation
29. L'alimentation 29 applique une tension serie au detecteur 26 et
permet au courant 30 de circuler dans la
DEL 3.Ainsi, l'alimentation 29 fonctionne de la meme facon que
l'alimentation 11 pour le detecteur 5, aux figures 4 et 5. Grace aux
fonctions en parallele des detecteurs 5 et 26, la forme de la figure 8
presente un facteur de conservation de la puissance de 70 percent,
c'est-a-dire le double du chiffre realise par la forme de la figure 5.
L'un des resultats encore plus importants obtenus par la forme a
detecteurs paralleles est une reduction importante du courant de
modulation externe. Les detecteurs 5 et 26 recoivent chacun pres de 50
percent de la lumiere provenant de la diode 3. Ensemble, ils
presentent un rendement net proche de 1 a cause du montage permettant
la reinjection en parallele. Par consequent,
(1 -) est tres petit, de l'ordre de 0,1 ou moins. Ceci indique que la
puissance optique de la DEL de la figure 7 peut etre entierement
modulee par un courant externe egal
A 10 percent seulement de son courant de fonctionnement.
Il est bien evident que les descriptions qui precedent n'ont ete
fournies qu'a titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses
variantes peuvent etre envisagees sans sortir autant du cadre de
l'invention.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Dispositif emetteur de lumiere a semi-conducteur comprenant - une
structure semi-conductrice comportant une source emettrice de lumiere
emettant de la lumiere en provenance de ladite structure et rayonnant
cette lumiere dans toutes les directions dans ladite structure,
caracterise en ce qu'il comprend aussi - un photo-detecteur au moins
(14, 15) forme dans ladite structure et couple a ladite source (16),
ledit photo-detecteur convertissant ladite lumiere dans ladite
structure en energie electrique et couplant ladite energie electrique
a ladite source pour donner au dispositif de lumiere un rendement
ameliore de conversion de la puissance et la possibilite de travailler
avec une faible puissance de modulation en entree.
2. Dispositif conforme a la revendication 1, caracterise en ce que
ladite structure contient une seule structure a croissance epitaxiale
comportant differentes couches (13 a 19).
3. Un dispositif conforme aux revendications 1 ou 2, caracterise en ce
que ladite structure contient un deuxieme photo-detecteur (17, 18).
4. Dispositif conforme aux revendications 1 ou 2, caracterise en ce
qu'une premiere alimentation (1) est couplee en parallele a ladite
source.
5. Dispositif en accord avec la revendication 4, caracterise en ce
qu'une deuxieme alimentation (11) est couplee en serie avec ledit
photo-detecteur.
6. Dispositif conforme a la revendication 5, caracterise en ce que
ladite structure contient un deuxieme photodetecteur (17, 18) et une
troisieme alimentation (29) qui est couplee en Serie avec le deuxieme
photo-detecteur.
7. Dispositif conforme a la revendication 4, caracterise en ce que
ladite structure contient un deuxieme photodetecteur (17, 18)
8. Dispositif conforme d la revendication 1, caracterise en ce que
ladite source contient-: - une premiere couche (16) composee d'un
premier semi-conducteur pour transformer l'electricite en lumiere, -
une deuxieme couche (15) composee d'un deuxieme semiconducteur ayant
une conductivite choisie de type p ou n disposee d'un cote de ladite
premiere couche, - une troisieme couche (17) composee dudit deuxieme
semiconducteur ayant l'autre conductivite de type n ou p placee de
l'autre cote de ladite premiere couche, - une quatrieme couche (18)
composee dudit premier semiconducteur ayant une conductivite de type n
ou p, disposee sur ladite troisieme couche, du cote oppose a la
premiere couche, - un premier contact metallique (19) monte sur ladite
quatrieme couche, du cote oppose a la troisieme couche, - une
cinquieme couche (20) composee dudit semi-conducteur ayant une
conductivite choisie de type n ou p, disposee du meme cote de ladite
deuxieme couche que ladite premiere couche et separee de celle-ci, et
- un deuxieme contact metallique (21) monte sur ladite cinquieme
couche, du cote oppose a ladite deuxieme couche, ledit photo-detecteur
comprenant ladite deuxieme couche et une sixieme couche (14) composee
dudit premier semi-conducteur ayant une conductivite de type n ou p,
disposee sur ladite deuxieme couche du cote oppose a la premiere et a
la cinquieme couches, et un troisieme contact metallique (13) dispose
sur ladite sixieme couche du cote oppose a ladite deuxieme couche.
9. Dispositif conforme a la revendication 8, caracterise en ce que -
ladite premiere couche (16) est en GaAs, - ladite deuxieme couche (15)
est en Gag 7A10 3As, type p, - ladite troisieme couche (17) est
composee de Ga0,7Al0,3As, type n, - lesdites quatrieme (18) et sixieme
couches (14) sont enGaAs type n,' - ladite cinquieme couche (20) est
composee de GaAs type p.- lesdits premier (19) et troisieme (13)
contacts metalliques sont en Au-Ge, et - ledit deuxieme contact
metallique (21) est en Au-Cr.
10. Dispositif conforme aux revendications 8 ou 9, caracterise en
qu'il comprend - ~ne premiere alimentation (1) pour ladite source,
couplee entre ledit premier (19) et ledit deuxieme contacts (21), et -
une deuxieme alimentation (11) pour ledit detecteur, couplee entre
ledit premier (19) et ledit troisieme (13) contacts.
11. Dispositif conforme a la revendication 1, caracterise en ce que
ladite source comprend - une premiere couche (16) composee d'un
premier semi-conducteur pour transformer l'electricite en lumiere, -
une deuxieme couche (15) composee d'un deuxieme semi-conducteur ayant
une conductivite selectionnee de type n ou p, disposee d'un cote de
ladite premiere couche, - une troisieme couche (17) composee dudit
second semi-conducteur ayant l'autre conductivite parmi les types n et
p, disposee de l'autre cote de ladite premiere couche, - une quatrieme
couche (18) composee dudit premier semiconducteur ayant la premiere
conductivite selectionnee de type n ou p, disposee sur ladite
troisieme couche, du cote opposee a ladite premiere couche, - un
premier contact metallique (19) dispose sur ladite quatrieme couche,
du cote oppose a ladite troisieme couche, - une cinquieme couche (20)
composee dudit premier semiconducteur ayant une conductivite
selectionnee dudit type n ou p disposee sur ladite deuxieme couche du
meme cote que la premiere couche et separee de celle-ci, et - un
deuxieme contact metallique (21) dispose sur ladite cinquieme couche,
du cote oppose a ladite deuxieme couche, ledit photo-detecteur
incluant - ladite deuxieme couche, - une sixieme couche (14) composee
dudit premier semi-conducteur ayant l'autre conductivite de type n ou
p dispose sur ladite deuxieme couche, du cote oppose a ladite premiere
et ladite cinquieme couches, et - un troisieme contact metallique (13)
dispose sur ladite sixieme couche, du cote oppose a ladite deuxieme
couche, tandis qu'un deuxieme photo-detecteur comprend - ladite
troisieme couche, - une septieme couche (24) composee dudit premier
semiconducteur ayant l'autre conductivite de type n ou p, disposee sur
ladite troisieme couche, eloignee de ladite premiere couche et ecartee
de ladite quatrieme couche, et - un quatrieme contact metallique (25)
dispose sur ladite septieme couche, du cote oppose a ladite troisieme
couche.
12. dispositif conforme a la revendicatioei 11, dans lequel - ladite
premiere couche (16) est en GaAs, - ladite deuxieme couche (15) est en
Ga0,7Al0,3As type p, - ladite troisieme couche (17) est en
Ga0,7Al0,3As type n, - lesdites quatrieme et cinquieme couches (18 et
20) sont en GaAs type p, - lesdites sixieme et septieme couches (14 et
24) sont enGaAs type n, - lesdits premier et deuxieme contacts (19,
21) sont en Au-Cr et, lesdits troisieme et quatrieme (13, 25) contacts
sont enAu-Ge.
13. Dispositif conforme aux revendications 11 ou 12, caracterise en ce
qu'il comprend - une connexion entre ledit premier (19) et ledit
troisieme (13) contacts, et - une alimentation connectee entre ledit
deuxieme (21) et ledit quatrieme (25) contacts,
14. Dispositif conforme aux revendications 11 ou 12, caracte- rise en
ce qu'il comprend - une premiere alimentation (29) couplee entre ledit
premier (19) et ledit deuxieme (21) contacts, - une deuxieme
alimentation (1) couplee entre ledit deuxieme (21) et ledit quatrieme
(25) contacts, et - une troisieme alimentation (11) couplee entre
lesdits troisieme (13) et quatrieme (25) contacts.
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