DE2736460A1

DE2736460A1 - Optoelektronische halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2736460A1
Application number: DE19772736460
Authority: DE
Inventors: Donald L Schaefer; Victor A K Temple
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-08-03
Also published as: JPS5394193A; US4144541A; GB1587442A; CA1088192A; SE7713656L

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Halbleitervorrichtung und bezieht sich auf den Aufbau, insbesondere auf hermetisch abgeschlossene Gehäuse von solchen Vorrichtungen.

Optoelektronische Halbleitervorrichtungen sind elektronische Vorrichtungen mit lichtempfindlichen Elementen oder Bereichen, die in einer vorbestimmten Weise reagieren, wenn sie sichtbarem, infrarotem oder ultraviolettem Licht ausgesetzt werden. Die optoelektronische Vorrichtung kann ihre Leitfähigkeit ändern oder einen unterschiedlichen elektrischen, entsprechend ihrer Kennlinien charakterisierten Zustand annehmen. Lichtenergie von externen Quellen werden durch Fenster, Linsen oder Führungsröhren, die in der Anordnung eingebettet sind, auf die lichtempfindlichen Bereiche gerichtet, wobei es bei den bekannten Vorrichtungen problematisch ist, die Lichtquelle und den Lichteingang zu der Vorrichtung auszurichten.

Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus dem US-Patent 3 590 344 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible Anpassung bzw. Zwischenverbindung zwischen einer Lichtquelle und einer optoelektronischen Vorrichtung zu schaffen.

Ferner soll eine auswechselbare optische Zwischenverbindung zwischen einer Lichtquelle und einem hermetisch abgedichteten Gehäuse einer optoelektronischen Vorrichtung geschaffen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Führungskanals oder einer Führungsröhre für eine optoelektronische Vorrichtung, wobei lichtleitende Einrichtungen, z.B. eine Lichtröhre, in das Rohr eingesetzt und in diesem gehalten werden, so daß Licht zu dem lichtempfindlichen Bereich der optoelektronischen Vorrichtung geleitet werden kann. Außerdem soll das Einsetzen einer Lichtöffnung bzw. eines Lichtgatters am lichtempfindlichen Bereich der optoelektronischen Vorrichtung vereinfacht werden.

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Des weiteren sollen Mehrfachlichtgatter an der gleichen optoelektronischen Vorrichtung ermöglicht werden.

Schließlich soll eine optoelektronische Vorrichtung mit Mehrfach-Lichtsensoren geschaffen werden, von denen jeder auf Lichtenergie reagiert, die von einer unterschiedlichen auswählbaren Lichtquelle herrührt.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs definierten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer hermetisch abgedichteten Anordnung mit einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung, einem Führungsrohr und einer Lichtröhre,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer hermetisch abgedichteten Anordnung mit einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung für hohe Energie, einem Führungsrohr und einer Lichtröhre,

Fig. 2 a eine Vorrichtung, die ähnlich wie die Vorrichtung gemäß Fig. 2 aufgebaut ist,

Fig. 3 a und Fig. 3 b unterschiedliche Kombinationen von Führungsrohren und Zwischenverbindungen für die Halbleitervorrichtungen,

Fig. 4 eine Lichtröhre zwischen einer optoelektronischen Vorrichtung und einer Lichtquelle und

Fig. 5 eine optoelektronische Vorrichtung mit zwei optischen Zwischenverbindungen.

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Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei zunächst Bezug auf Fig. 1 genommen wird. In dieser ist eine optoelektronische Halbleitervorrichtung gezeigt, die ein Halbleiterelement in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse enthält. Des weiteren ist eine Führungsröhre vorgesehen, die den abgeschlossenen lichtempfindlichen Bereich der Vorrichtung mit einer externen Lichtquelle verbindet.

Das optoelektronische Element 1 ist mit einem Hauptteil 2 der hermetisch abgeschlossenen Anordnung verbunden und besitzt elektrischen Kontakt mit diesem. Des weiteren besitzt eine elektrische Leitung Kontakt mit dem Element 1 auf der inneren flachen Seite desselben. Die Leitung 2a verläuft durch eine Öffnung 2b, die mit einem Isolationsmaterial ausgekleidet ist. Eine lagefixierende Befestigung 4 ist über dem lichtempfindlichen Bereich 3 angeordnet und mit dem Element 1 über eine lichtdurchlässige Abdichtung 5 verbunden, die den lichtempfindlichen Bereich 3 bedeckt, um diesen vor Verschmutzung zu schützen, so daß die Befestigung 4 in einer geeigneten Position gehalten wird. Die Abdichtung 5 ist für über einem geeigneten Wellenlängenbereich liegendes Licht transparent, z.B. für einen Bereich von 5000 bis 12000 A bei Silicium-optoelektronischen Elementen.

Eine Gehäuseabdeckung 6 enthält eine Öffnung, in die ein Führungsrohr 8 hineinragt. Die Abdeckung 6 und das Führungsrohr 8 sind über dem Hauptteil 2 in der Weise angeordnet, daß das Hauptteil 2 und die Abdeckung 6 ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse bilden. Ein offenes Ende des Führungsrohres 8 ist in der Befestigung 4 in einem Abstand zu dem Element 1 angeordnet, wobei eine Abdichtung 9 zwischen dem Rohr 8 und der Befestigung und eine Abdichtung 10 zwischen dem Führungsrohr 8 und der Gehäuseabdeckung 6 in dem Bereich der Öffnung angeordnet sind, durch den sich das Führungsrohr 8 erstreckt, so daß um das optoelektronische Element 1 herum eine vollständige hermetische Abdichtung erreicht wird.

Verschiedene Kombinationen des Führungsrohrs 8, der Befestigung 4 und des Elements 1 sind in den Fig.3a und 3b gezeigt.

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In das andere offene Ende des Führungsrohrs 8 ist eine Lichtröhre 11 eingesetzt, durch die Lichtenergie von einer entfernten Lichtquelle auf den lichtempfindlichen Bereich 3 geleitet wird. Eine elastische Manschette 12 ist über das andere Ende des Führungsrohres 8 gezogen und bedeckt den Teil der Lichtröhre 11, der in das Führungsrohr 8 hineinragt. Die Manschette 12 verhindert eine unbeabsichtigte Trennung der Lichtröhre 11 von dem Führungsrohr 8. Die Manschette 12 kann aus einem Schrumpfschlauch oder aus elastischem Material hergestellt werden. Sie kann die Lichtröhre 11 über ihre Gesamtlänge einhüllen.

Eine abgewandelte Anordnung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung mit einer optischen Steuer-Zwischenfläche ist in Fig. 2 gezeigt. Das Halbleiterelement 1 wird zwischen zwei vorzugsweise kreisförmigen Elektroden 21 und 22 gehalten, wobei die Elektrode 21 eine obere Abdeckung und die Elektrode 22 eine untere Abdeckung bildet. Die Elektrode 21 weist einen Flansch 23 und die Elektrode 22 einen Flansch 24 auf. Die Flansche 23 und

24 sind durch einen kreisförmigen Isolationsring 25 voneinander getrennt. Die Elektrode 21 weist eine Öffnung auf, durch die sich das Führungsrohr 8 erstreckt, so daß ein optischer Zugang zu dem lichtempfindlichen Bereich 3 gebildet wird. Das Führungsrohr 8 wird in der lagefixierenden Befestigung 4 über dem lichtempfindlichen Bereich 3 des Halbleiterelements 1 gehalten.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung weist Elektroden 21 und 22 mit großen Bereichen auf. Dies ist eine spezielle Forderung, wenn das Halbleiterelement 1 ein optisch gesteuerter Leistungstransistor oder Thyristor ist. Der Isolationsring 25 bildet eine Hochspannungsisolation zwischen den beiden Elektroden.

Fig. 2a zeigt eine Vorrichtung, die ähnlich aufgebaut ist wie die in Fig. gezeigte Vorrichtung, wobei sich jedoch das Führungsrohr 8 durch die ausgerichteten Öffnungen 8a und 8b in der Elektrode 21 und dem Isolationsring

25 erstreckt und abgebogen ist. Eine Abdichtung 10 stellt sicher, daß das innere Ende des Führungsrohres 8 über dem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiterelementes hermetisch abgeschlossen ist. Die Lichtröhre 11 ist in der vorangehend beschriebenen Weise in das Führungsrohr 8 eingesetzt.

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Die Fig. 3a und 3b zeigen zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Befestigung des Führungsrohres 8 über dem lichtempfindlichen Bereich 3.

In Fig. 3a besteht eine Befestigung 26 aus lichtdurchlässigem Material, wobei diese einen Hohlraum aufweist, in dem das Führungsrohr 8 angeordnet ist. Die Befestigung 26 wird durch eine Abdichtung 27 lagefixiert. Das Führungsrohr 8 wird in der Befestigung 26 durch eine Abdichtung 28 gehalten. Die Abdichtung 28 schützt das Innere der Vorrichtung vor Verunreinigungen durch das Führungsrohr 8.

Fig. 3b zeigt eine weitere Möglichkeit zum Einsetzen eines abgedichteten optischen Verbindungsstücks. Eine transparente Platte 30 trennt die Befestigungen 29 von dem Bauteil 3. Die Platte 30, die Befestigung 29 und das Führungsrohr 8 werden über dem lichtempfindlichen Bereich 3 des Elements 1 durch die Abdichtungen 31, 32 und 33 gehalten.

Alle vorangehend beschriebenen Zwischenverbindungen weisen ein Führungsrohr 8 auf, dessen in der Nähe des lichtempfindlichen Bereichs 3 liegendes Ende durch lichtdurchlässiges Material geschlossen ist. Das andere Ende ist offen und dient zur Aufnahme der Lichtröhre 11.

In Fig. 4 ist eine hermetisch abgeschlossene optoelektronische Vorrichtung 40 gezeigt, aus der ein Führungsrohr 41 mit einer daran befestigten Lichtröhre 42 ragt. Ferner ist eine Lichtquelle 44 vorgesehen. Die Lichtröhre 42 besteht aus einer oder mehreren Lichtleiterfasern, die in das Führungsrohr 41 eingesetzt sind und durch eine Manschette 45 gehalten werden.

Die Lichtquelle 44 ist in Fig. 4 als lichtemittierende Diode dargestellt. Andere Arten und/oder Größen von Lichtquellen sowie zusätzliche Mittel, z.B. Linsen und Spiegel, können für eine Verbindung von Lichtquelle und Lichtröhre verwendet werden, ohne daß die Lehre der Erfindung oder wesentliche Merkmale der Erfindung verlassen werden müssen.

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Die maximale Länge der Lichtröhre 42 wird lediglich durch die Stärke der Lichtquelle 44, den Energieverlust in der Lichtröhre 42 und die Lichtenergie, die an dem lichtempfindlichen Bereich 3 erforderlich ist, um in diesem die gewünschte Funktion zu erfüllen, begrenzt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, kann die Lichtröhre 42, falls dies nötig ist, um Lichtenergie von der Lichtquelle 44 zur Vorrichtung 40 zu leiten, gebogen werden. Eine Ausrichtung der Vorrichtung 40 in Bezug zu der Lichtquelle 44 ist nicht erforderlich. Die Lichtröhre 42 kann so hergestellt werden, daß die speziellen Anforderungen bei einer Anwendung erfüllt werden. Eine Begrenzung bilden lediglich die vorangehend erwähnten Bedingungen. Die Austauschbarkeit der Lichtröhre 42 macht die Vorrichtung 40 unabhängig von der Lichtquelle 44 und von allen örtlichen Veränderungen der Lichtquelle 44 in Bezug auf die Vorrichtung 40.

Da Lichtleitfasern mit sehr geringem Durchmesser (ca. 76 ,um bzw. 3 mils) und die lichtempfindlichen Bereiche von optoelektronischen Komponenten in der gleichen Größe hergestellt werden können, kann eine optoelektronische Komponente mehr als eine solcher optischen Verbindungen aufweisen.

Fig. 5 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 50 mit zwei optischen Verbindungsstücken, die Führungsrohre 51a und 51b und Lichtröhren 52a und 52b aufweisen. Die Vorrichtung 50 kann Funktionen unter Steuerung von zwei unabhängigen Lichtquellen 53a und 53b ausführen.

Durch die vorliegende Erfindung wird der Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung vereinfacht, indem diese unabhängig von ihrer relativen Lage zur Lichtquelle gemacht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die optoelektronische Vorrichtung ein Führungsrohr, das mit einem seiner Enden über dem lichtempfindlichen Bereich des optoelektronischen Elements angeordnet ist, während das zweite Ende aus dem Gehäuse der Vorrichtung herausragt.

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Eine Lichtröhre oder lichtleitende Fasern werden in das eine Ende des Führungsrohres eingesetzt, während das andere Ende nahe der und in Richtung der Steuerlichtquelle angeordnet ist. Durch geeignete Mittel, z.B. Hülsen oder Manschetten, können die Lichtleiter umhüllt werden. Diese werden über das herausstehende Ende des Führungsrohres gezogen, so daß ein unbeabsichtigtes lierausgleiten der Lichtröhre aus dem Führungsrohr vermieden wird. Die flexible Lichtröhre kann um Ecken, durch dunkle oder beleuchtete oder durch verschmutzte Bereiche zu der Lichtquelle geführt werden. Die anschließbare Lichtröhre macht die relative Position der Lichtquelle in Bezug auf das optoelektronische Element unabhängig. Der Durchmesser und die Länge der Lichtröhre können den Anforderungen des lichtempfindlichen Bereichs der optoelektronischen Vorrichtung und der Charakteristik der Lichtquelle angepaßt werden.

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Al

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

f 1.!Optoelektronische Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleiterelement mit einem lichtempfindlichen Bereich, einem Führungsrohr mit zwei offenen Enden, einer Einrichtung, die mit einem Ende des Rohres zur Befestigung auf dem Element verbunden ist und zur Abdichtung des Übergangs dient, wobei das Führungsrohr mit dem lichtempfindlichen Bereich ausgerichtet ist, um Lichtenergie auf diesen zu leiten, eine in das andere Ende des Führungsrohrs abnehmbar einsetzbare Lichtröhre, um Lichtenergie auf den lichtempfindlichen Bereich zu leiten sowie ein abgedichtetes Gehäuse, in dem das Halbleiterelement angeordnet ist und in das das Führungsrohr hineinragt, wobei das Gehäuse die Halbleitervorrichtung und das eine Ende des Führungsrohrs hermetisch umschließt.

DR. C. MANlTZ ■ DIPL.-ING. M. FINSTERWALD S MÖNCHEN 91. MOkERT-KOCH-STRAStE I TCL. <OS9) 994911. TELEX OS - 99673 PATMF

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DIPL.-INC. W. C R Λ M K O W STUTTCART SO (BAD CANNSTATT) SEELBERCSTR. 93/9S. TEL. (0711156 79 61

ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7970 POSTSCHECK. MÖNCHEN 77062-805

ORIGINAL INSPECTED

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2. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtröhre eine Vielzahl von flexiblen Lichtleiterfasern umfaßt.
3. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Hülse am Übergang zwischen dem Führungsrohr und der Lichtröhre vorgesehen ist und diesen umschließt, um die Lichtröhre mit dem Führungsrohr zu verbinden.
4. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsmittel eine lagefixierende Vorrichtung umfassen, die mit dem Element verbunden ist und eine Ausnehmung aufweist, in die ein Ende des Führungsrohres eingesetzt ist, und daß Mittel zur Abdichtung des Überganges zwischen dem Element und der Befestigungsvorrichtung vorgesehen sind.
5. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsvorrichtung mit dem Element in Eingriff steht, daß die Ausnehmung in der Vorrichtung eine diese durchdringende Öffnung enthält und daß eine lichtdurchlässige Abdichtung in der Öffnung vorgesehen ist und dadurch der lichtempfindliche Bereich bedeckt wird.
6. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsvorrichtung aus lichtdurchlässigem Material besteht und mit dem Element in Eingriff steht, und daß die Ausnehmung in der Befestigungsvorrichtung an einer bestimmten Stelle innerhalb dieser Vorrichtung endet.
7. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Befestigungsvorrichtung und dem Element eine lichtdurchlässige Platte vorgesehen ist, und daß die Ausnehmung eine Öffnung enthält, die durch die Befestigungsvorrichtung verläuft und mit dem lichtempfindlichen Bereich ausgerichtet ist.

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8. Optoelektronische Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer oberen Abdeckung, die einen ersten Flansch aufweist, und einer unteren Abdeckung, die von der oberen Abdeckung beabstandet ist und einen zweiten Flansch aufweist, wobei zwischen dem ersten und zweiten Flansch ein Isolationsglied angeordnet ist und eine der Abdeckungen eine öffnung aufweist und die obere Abdeckung eine erste Elektrode mit einem ersten Kontaktbereich definiert und die untere Abdeckung eine zweite Elektrode mit einem zweiten Kontaktbereich definiert, sowie durch ein optoelektronisches Halbleiterelement mit einem fotoempfindlichen Bereich, das zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich angeordnet ist und mit diesen in elektrischem Kontakt steht, durch eine optische Zwischenverbindung, die ein Führungsrohr mit zwei offenen Enden enthält, das sich durch die öffnung erstreckt, wobei ein Ende des Führungsrohres über dem fotoempfindlichen Bereich hermetisch abgedichtet ist und das Führungsrohr so aufgebaut ist, daß es eine Lichtröhre aufnehmen kann, durch die Lichtenergie auf den lichtempfindlichen Bereich gerichtet wird.
9. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Öffnung in der oberen Abdeckung befindet.
10. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Öffnung in dem Isolationsglied befindet.

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