AT209377B

AT209377B - Einrichtung zur Erzeugung von Plasma-Schwingungen in elektronischen Halbleitern

Info

Publication number: AT209377B
Application number: AT539757A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1956-08-30
Filing date: 1957-08-16
Publication date: 1960-06-10

Description

Einrichtung zur Erzeugung von Plasma-Schwingungen in elektronischen Halbleitern
Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass elektronische Halbleiter Plasma-Eigenschaften besitzen, welche sonst nur in Gasentladungen beobachtet worden sind, und die auf den Prinzipien der Lorentz'schen Elektronentheorie basieren, welche bisher nur für metallische Leiter als gültig betrachtet worden sind.

Es ist an sich aus einer Arbeit von G. Dresselhaus, A. F. Kipp, C. Kittel : Phys. Rev. 100,618 (1955) bekannt, dass in einem Halbleiterkristall, auf dessen Ladungsträger keine gleichförmigen Beschleunigungskräfte wirken, durch elektromagnetische Hochfrequenzschwingungen im Zentimetergebiet erzwungene Schwingungen der Ladungsträger erzeugt werden können, was sich in einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Halbleiterkristalls bzw. in einer Änderung der Impedanz des den Halbleiterkristall umschliessenden elektrischen Hohlleiters in Abhängigkeit von der erzwungenen Schwingungsfrequenz äussert.

Es war jedoch bisher nicht bekannt, dass es auch möglich ist, in einem Halbleiter freie Schwingungen zu erzeugen, und dass auch ein Halbleiter mit strömendem Plasma, d. h. ein solcher, dessen Ladungsträger eine Driftbewegung ausführen, freie und erzwungene Schwingungen auszuführen vermag. Ferner war nicht bekannt, dass sich derartige Schwingungen auskoppeln lassen.

Gemäss der Erfindung werden die soeben erwähnten neuartigen Plasmaschwingungen in Halbleitern, vorzugsweise Halbleitereinkristallen, dadurch erzeugt, dass ein Halbleitermaterial benutzt wird, welches der Bedingung genügt
EMI1.1
und dass die Ladungsträger des Halbleiters durch eine kurzzeitige Schwingungserregung, welche die Langmuir'sche Plasmaeigenfrequenz des Halbleiterkörpers selbst oder in modifizierter Form enthält, angestossen und/oder durch eine Driftwirkung kurzzeitig oder dauernd beschleunigt werden ; hiebei bedeutet Q die Eigenfrequenz der freien gedämpften Schwingungen (Langmuir'sche Plasmafrequenz) als Funktion der im Index aufgeführten Störstellendichte nQ derDonatoren und po der Akzeptoren ;

yn und y p bedeuten eine für die Elektronen n und die Defektelektronen p charakteristische Reibungskonstante. Insbesondere ist in an sich bekannter Weise
EMI1.2

EMI1.3
te hat und beispielsweise durch die erwähnte Arbeit von Dresselhaus u. a. an sich bekannt ist ; er lässt sich durch Messungen z.

B. der Leitfähigkeit bei der gewünschten Frequenz oder auch aus optischen Grössen bestimmen ; er ist in erster Linie abhängig von der Art der Halbleitersubstanz, der Gitterstruktur, von Zusätzen zur Halbleitersubstanz, von elektrischen und magnetischen Feldern. von der Temperatur, von der Gitterorientierung sowie von Störungen. mechanischen Spannungen u. dgl. im Gitter und von Oberflächen-

zuständen ; ferner ergibt sich aus den der Erfindung zu Grunde liegenden Untersuchungen, dass er insbeson- dere auch mit der Frequenz variiert.

Die Grösse L kann beliebige Werte, z. B. auch den Wert Null, an- nehmen, wenn die Plasmaschwingungen in einem strömenden Plasma vor sich gehen ; sie dürfte jedoch von Null verschieden sein, wenn Schwingungen im ruhenden Plasma entstehen. x o bedeutet die dielektri- sche Suszeptibilität des Gitters, die näherungsweise im Einklang mit der Erfahrung als frequenzunabhän- gig betrachtet werden kann. Die von D. Pines und D. Bohm ("Physical Review"1952 Vol. 85 S. 338 ff) an- gegebenen Kriterien für Plasmaoszillationen eines Elektronengases sind bei den vorstehenden Bedingungen mit vorausgesetzt.

Durch die im vorstehenden umrissene Konzeption (ausElektronentheorie in Verbindung mit speziellen
Bewegungsgleichungen sich ergebende Regel) ist die allgemeine Grundlage dafür gegeben, dass überhaupt
Plasmaschwingungen im Halbleiter erzeugt, aufrecht erhalten und ausgenutzt werden können. Dabei be- zieht sich der Schwingungszustand auf die sechs Plasmazustandsgrössen, nämlich das elektrische Feld E, das magnetische Feld H, die Dichte n der Elektronen, die Dichte p der Defektelektronen, die Driftge- geschwindigkeit v n der Elektronen und die Driftgeschwindigkeit v der Defektelektronen.

Je nach den gegebe- nen Verhältnissen können entweder alle sechs Plasmazustandsgrössen mit der gleichen Frequenz oszillieren, oder es können auch einige der Zusatzgrössen überhaupt nicht oszillieren, beispielsweise konstant bleiben oder eine aperiodische Veränderung ausführen, oder sie können sich in einem Schwingungszustand mit anderer Frequenz befinden. Besonders wichtig ist der Fall, dass die Driftbewegung der Ladungsträger eine gleichbleibende Richtung besitzt (Fall des strömenden Plasmas), wobei sich dieser Bewegung unter Umständen Aperiodizität, z. B. eine Dämpfung, und/oder eine Oszillation überlagern kann.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen von Anordnungen zur Verwirklichung und Ausnutzung der Plasmaschwingungen eines Halbleiterkörpers gemäss der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Halbleitereinkristall 1 aus einem Halbleitermaterial hoher Trägerbeweglichkeit, insbesondere einer Verbindung von Elementen der in. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Durch sperrfreie. Kontakte 2 und 3 ist an die Enden des Kristalls eine Gleichspannung gelegt, die durch ein Plusund ein Minuszeichen angedeutet wird. Mittels zweier isoliert vom Halbleiterkristall angeordneter Kondensatorplatten 4 und 5 sind zwei elektrische Schwingungskreise 6 und 7 mit zwei verschiedenen Oberflä- chenteilen des Halbleiterkristalls gekoppelt. Der Kreis 6 ist ein Eingangskreis, während der Kreis 7 als Ausgangskreis geschaltet ist. Beide Kreise sind auf die Plasmaeigenfrequenz des Halbleiterkristalls 1 abgestimmt.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Auf den Eingang des Kreises 6 wird ein kurzer rechteckförmiger Energieimpuls von hinreichender Intensität gegeben, durch welchen das Plasma des Halbleitereinkristalls in der Nähe der Kondensatorplatte 4 zu Eigenschwingungen veranlasst wird. Hiebei ist vorausgesetzt, dass die Impulslänge so gering ist, dass das durch Fourier-Analyse sich ergebende Frequenzspektrum dieses Impulses die Plasmaeigenfrequenz mit hinreichender Intensität enthält.

Durch das Feld der an den Elektroden 2 und 3 liegenden Gleichspannung wird eine solche Driftwirkung auf die Ladungsträger, insbesondere Majoritätsträger, des Halbleiterkristalls ausgeübt, dass sich die freie Plasmaschwingung zum Ort der Kondensatorplatte 5 hin bewegt, wodurch dort der Schwingungskreis 7 angestossen wird und an dessen Ausgang eine Sinusschwingung von der Frequenz der Plasmaeigenschwingung abgegriffen werden kann.

In Fig. 2 ist das bisherige Ausführungsbeispiel in der Weise modifiziert, dass die Schwingungserregung durch eine Elektronenströmung von hinreichend hoher Geschwindigkeit (insbesondere höher als die mittlere thermische Elektronengeschwindigkeit) ausgelöst wird. Zu diesem Zweck ist auf der Halbleiterkristalloberfläche eine Einwirkungsanordnung-gemäss der Zeichnung ein Elektrodenpaar-angeordnet, welche eine hohe elektrische Feldstärke, z. B. dicht vor oder hinter dem Zenerdurchbruch und/oder Stossionisation im Halbleiterkristall kurzzeitig, dauernd oder wiederholt, gegebenenfalls periodisch, zu erzeugen vermag.

Das Beispiel gemäss Fig. 1 und 2 ist als ein allgemeiner Modellfall aufzufassen, wie die Einrichtung nach der Erfindung aufgebaut und betrieben werden kann. Man sieht insbesondere aus dem Beispiel, dass die Einrichtung nach der Erfindung als Oszillator Anwendung finden kann, wobei eine beliebige Energieerregung in eine bestimmte Schwingung verwandelt werden kann. Diese Schwingung kann unter. Umständen dadurch aufrechterhalten werden, dass die beiden Kreise 6 und 7 miteinander rückgekoppelt sind, wobei unter Umständen in den Rückkopplungskanal noch ein Verstärkungselement, beispielsweise in Form einer Röhren-, Transistorschaltung od. dgl., eingebaut sein kann.

Es sind jedoch auch noch andere Ausbildungen und Abwandlungen des Ausführungsbeispiels möglich.

Die Anordnung kann beispielsweise als Frequenzfilter geschaltet und benutzt werden. Zu diesem

Zweck kann eine Dauererregung des Eingangs mittels eines Frequenzgemisches vorgenommen werden, während am Ausgang eine Schwingung gewünschter Frequenz abgenommen wird. In diesem Fall wie auch
In andern Fällen braucht am Eingang überhaupt kein abgestimmter oder wenigstens kein scharf abgestimm- ter Kreis vorhanden zu sein. Auch kann-dies gilt wiederum allgemein-die Gleichspannung an den
Elektroden 2 und 3 fehlen oder nur kurzzeitig angelegt sein, so lange, bis die freien Plasmaschwingungen zur Ausbildung gelangt sind in diesem Fall wurde an der Eingangsstelle ausgekoppelt werden.

Bei der Os- zillatorschaltung allerdings wird zweckmässigerweise mit ständigem Driftfeld gearbeitet, welchem gleich- zeitig die Energie zur Aufrechterhaltung der Schwingungen entnommen wird. Anderseits besteht sogar die
Möglichkeit, durch Variation des Feldes an den Elektroden 2 und 3 oder der sonstigen-z. B. thermi- ) sehen-Drifterzeugung eine Steuerung der Plasmaschwingungen - gegebenenfalls eine Modulation - zu bewirken.

Ferner ist zu beachten, dass in dem geschilderten Ausführungsbeispiel der Transport eines Schwin- gungszustandes von einer Stelle des Halbleiters an eine andere Stelle vor sich geht, wobei die Transport- geschwindigkeit von der Driftwirkung abhängt, wie sie-gemäss dem Ausführungsbeispiel - durch das elek- i irische Gleichfeld bewirkt wird. Die Driftwirkung kann jedoch auch ihrerseits als Oszillation - insbeson- dere auf Grund eines elektrischen und/oder thermischen Wechselfeldes - ausgebildet sein, wobei unter
Umständen eine pulsierende Driftbewegung entsteht, die bisweilen, insbesondere rhythmisch, die Anre- gungsenergie übersteigt und dadurch die Schwingungserzeugung aufrecht erhält.

Durch Abstimmung der
Feldstärke und damit der Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger, insbesondere der Majoritätsträger, auf den Abstand der Abgriffe 4 und 5 und gegebenenfalls auch auf die Eigenfrequenz 6 lassen sich daher noch besondere Wirkungen erzielen. Insbesondere lässt sich der Halbleiterkristall als ein Verzögerungs- bzw.
Laufzeitglied verwenden im Zusammenhang mit Schwingungsenergien. Es ist insbesondere möglich, eine
Halbleiteranordnung zu schaffen, welche im Aufbau und in ihrer Wirkungsweise in Analogie zu einer Wan- derfeldröhre steht. Es wird sogar eine wesentliche Bedeutung der Erfindung darin erblickt, dass die bei Wan- derfeldröhren entwickelten Gesichtspunkte mit Hilfe der durch die Erfindung gegebenen Leitgedanken und der im Beispiel beschriebenen Anordnung auf Halbleiterbauelemente übertragen werden können.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Plasmaeigenschwingung der Halbleiter mit hoher Träger- beweglichkeit bei den in der Halbleitertechnik gebräuchlichen Abmessungen und Oberflächeneigenschaf- ten der Halbleiterkristalle in der Grössenordnung des Zentimetergebietes liegt, so dass erfindungsgemäss besonders für dieses und die benachbarten Frequenzbereiche ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Einrichtung nach der Erfindung gegeben ist.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erweisen sich auch deshalb als besonders vielgestaltig, weil die ursprüngliche Erzeugung der Plasmaeigenschwingungen ent- weder durch eine ursprüngliche kurzzeitige Erregung oder durch die Driftwirkung eines elektrischen Feldes oder einer andern Kraft auf die Ladungsträger allein bewirkt werden kann oder beide Wirkungen miteinan- der mindestens zeitweilig kombiniert werden können.

Eine weitere Variationsmöglichkeit sei an Hand der Fig. 3 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Einleitung einer Schwingungserregung auf den Halbleiterkristall l ein den Halbleiterkörper 1 umschliessendes Hohlrohr 8 vorgesehen. Dieser Hohlraumresonator muss so betrieben werden. dass die vom Halbleiter abgestrahlte Energie grösser als die Wandverluste (Dämpfung) im Hohlleiter ist. Dies kann in der üblichen Weise sowohl durch entsprechende Wahl der geometrischen Formgestaltung des Hohlleiters als auch durch entsprechende Wahl der Moden der elektromagnetischen Felder geschehen.

Mittels eines Hohlrohres 9 mit entsprechenden, der Übertragung günstigen Abmessungen wird die Plasmafrequenz wieder abgenommen und an ein das Signal verarbeitendes Gerät und/oder einen Speicher, beispielsweise eine Rechenmaschine, ein elektrisches Gedächtnis od. dgl. oder auch ein übliches Nachrichtengerät weitereführt. Gemäss einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens ist auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls eine als Emitter wirkende Elektrode 10 angeordnet, mittels welcher Ladungsträger in den Halbleiter kristall injiziert werden können. Durch diese Injektion wird die Plasmaeigenfrequenz geändert. Je nach Art der Injektion (positive und/oder negative Ladungsträger) kann die Frequenz vergrössert oder verkleinert werden.

Die Änderung kann dauernd, einmalig, mehrmalig oder periodisch erfolgen, woraus sich Steuerungen der erzeugten und/oder übertragenen Plasmaschwingungen beliebiger Art, insbesondere Modulationen (Frequenzmodulationen, Dämpfungen. Wobbelungen u. dgl.). durchfUhren lassen. Es können un- ter Umständen mehrere Emitter an verschiedenen Stellen der Halbleiteroberfläche oder auch in dessen Innern in geeigneten, gegebenenfalls veränderbaren Abständen vorgesehen sein. Unter Umständen können der Emitteranordnung auch noch ein oder mehrere Kollektoren auf dem Kristall zugeordnet sein. Als Emitter kommt in erster Linie eine Spitzenelektrode oder ein p-n-Übergang in Frage.

Die Ausführungsbeispiele können auch in der Weise abgewandelt sein, dass die sperrfreien Kontakte 2

und 3 durch isolierende oder mindestens nur in einer Richtung durchlässige Elektroden ersetzt sind, so dass der Halbleiterkristall nur einer reinen statischen elektrischen Feldwirkung ausgesetzt ist. Ferner können an Stelle einer Kapazitätskopplung je nach dem Frequenzbereich für den Eingang und/oder Ausgang an- dere, beispielsweise induktive Kopplungen oder Kopplungen über gleichrichtende Elemente, insbesondere p-n-Übergänge, vorgesehen sein. Z.

B. kann der Halbleiterkörper selbst ganz oder teilweise als Leiter der
Oszillationen und Schwingungen wirksam sein, insbesondere in Analogie zu einer Lecherleitung, wobei er als Hohlkörper (zylindrisch, kugelförmig, eiförmig usw.) ausgebildet ist. Hiebei kann er von innen und/oder aussen mit einem elektromagnetischen Feld in Wechselwirkung stehen ; er kann auch als Teil in eine metallische Leitung eingebaut sein oder koaxial zu einer solchen angeordnet sein, wobei unter Um- ständen mehrere Halbleiterkörper verschiedener Abstimmung-gegebenenfalls unter Einschaltung von me- tallischen oder quasimetallischen Teilen (entÅartete Halbleiter) - miteinander verbunden sein können.

Gemäss einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens ist es möglich, mehrere Eingänge für ver- schiedene Frequenzen bzw. Frequenzspektren und/oder mehrere Ausgänge zur Abnahme verschiedener
Schwingungsfrequenzen vorzusehen.

Fig. 4 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung. Dem Halbleiterkristall 1, in welchem durch irgend welche Mittel eine Driftwirkung auf die Majoritätsträger in Richtung des Pfei- les x und auf die Minoritätsträger gegebenenfalls in entgegengesetzter Richtung erzeugt wird, sind zwei getrennte Hohlleiter 11 und 12 zugeordnet, mittels deren zwei Erregungen mit verschiedener Frequenz bzw. verschiedenem Frequenzmaximum f und f in den Halbleiterkristall eingeleitet werden können. Die
EMI4.1
frequenz bzw. verschiedene Plasmaeigenfrequenzen abgestimmt sind. Die durch den erregten Plasmazustand resultierende Frequenz f'lässt sich dann mit oder ohne Rückkopplung an einer oder mehreren weiteren Stellen des Halbleiterkristalls wieder auskoppeln.

Unter Umständen können auch mehrere Ausgangsfrequenzen entweder an verschiedenen Stellen des Halbleiterkristalls oder nacheinander an derselben Stelle-durch die Driftwirkung verzögert-entnommen werden, wenn-wie eingangs erwähnt-verschiedene Plasmazustandsgrössen zu verschiedenen Plasmabewegungen angeregt sind. Sind z. B. Elektronen und Defektelektronen in verschiedener Konzentration vergleichbarer Grössenordnung anwesend, so schwingen die beiden Ladungsträgerkollektive in verschiedenen Frequenzen, die entweder getrennt oder gemeinsam als Koppelschwingung oder wahlweise nacheinander bzw. abwechselnd entnommen werden können.

Derartig verschiedene Ausgangsschwingungszustände können auch durch geeignete Wahl der sonstigen Randbedin-
EMI4.2
oder Oberflächenveränderungen, erzeugt werden. An Stelle oder neben einer Ausgangsfrequenz lassen sich auch ein oder mehrere elektrische bzw. elektromagnetische Abklingzustände gewünschten Dekrements bzw. gewünschter Dekremente erzeugen, welche zur Steuerung von Zeitglieder oder andern Nachrichtenvorgängen benötigt werden. Allgemein kann man sagen, dass neben Oszillationen auch aperiodische Prozesse der Plasmagrössen erfasst werden können.

Gemäss einer weiteren Ausbildung desErfindungsgedankens lassen sich im Halbleiterkristall-vorzugs- weise im Falle der Oszillatorschaltung oder für Filterzwecke - durch geeignete Reflexionen stehende Schwingungen erzeugen. Diese stehenden Schwingungen können die Frequenz bzw. Frequenzen der Plas- maschwingungen'selbst haben, es kann sich jedoch auch um Reflexionen der durch die Driftwirkung im Halbleiterkristall transportierten Schwingungszustände an den Enden des Halbleiterkristalls handeln. In diesem Falle werden die Plasmaeigenschwingungen sozusagen als Wellenpakete mittels einer durch die Driftwirkung bedingten weit niedrigeren Frequenz im Halbleiterkristall hin-und herreflektiert.

Die Reflexionen können direkt an den Oberflächen des Kristalls oder an mit diesen gekoppelten Resonanzkreisen stattfinden. An die Stelle der Oberflächen können auch in den Kristall eingelagerte Sperrschichten oder Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Dotierung oder sonstige Strukturänderungen, vorzugsweise Sprünge, treten.

Gemäss einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens Ist der Halbleiterkristall derart in mehrere Zonen unterschiedlicher Dotierung, insbesondere unterschiedlichen Leitungstypus und/oder unterschiedlicher Ladungsträgerdichte, beispielsweise in p-, n-, i-, schwächer oder niedriger dotierte Zonen unterteilt. Die Zonen können auch aus verschiedenen Halbleitern, insbesondere Legierungen, mit verschiedener Bandbreite und/oder Trägerbeweglichkeit bestehen. Sie können stetig ineinander übergehen oder in sprunghaften Übergängen aneinanderstossen.

Wird die in einer der Zonen erzeugte Schwingung mittels der Driftwirkung ganz oder teilweise in eine oder mehrere andere Zonen transportiert, so entstehen in den an- schliessenden Zonen verschiedener Dotierung bei geeigneter Bemessung des gegenseitigen Verhältnisses der in diesen Zonen resultierenden Plasmaeigenschwingungen verschiedene Schwingungszustände. Sofern die

Randbedingungen derart gewählt sind, dass die Plasmaeigenschwingungen in den verschiedenen Zonen in rationalem, vorzugsweise ganzzahligem Verhältnis zueinander stehen, ist die Anordnung als Frequenztei- ler bzw. Frequenzvervielfacher zu benutzen. Die einzelnen Schwingungszustände bzw. Frequenzen kön- nen durch geeignete Gestaltgebung des Halbleiters oder dessen Oberfläche beeinflusst und weitergeleitet bzw. abgenommen werden.

Insbesondere kann der Halbleiterkristall an verschiedenen Stellen bzw. in den verschiedenen Zonen stetig oder gestuft verschiedene Querschnitte aufweisen und/oder gekrümmt, bei- spielsweise kreisförmig, ausgebildet sein. Bei kreuzförmiger oder weichenförmiger Ausbildung des Halb- leiters (Hosenform) können mehrere Driftkanäle - die getrennt anregen können-vorgesehen sein, die in den verschiedenen Enden des Halbleiterkristalls eingekoppelt sind.

'Gemäss einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens werden die Plasmaschwingungen entweder als freie und/oder als erzwungene Schwingungen - oder abwechselnd - mit oder ohne Driftwirkung in einer oder mehreren aktiven Zonen einer der bekannten Halbleitervorrichtungen, beispielsweise in der Basis und/oder im Emitter bzw. Kollektor einer Transistor- oder Unipolartransistoranordnung erzeugt zwecks
Beeinflussung, insbesondere Steuerung der Verstärker- undsoder Schalteigenschaften der Halbleitervor- i richtung. Diese Halbleitervorrichtung kann auch in Verbindung mit einer Mehrfachbasis als Fadenbauele- ment (Fadendiode, Fadentransistor, auch Mehrfachhohlrohranordnung) ausgebildet sein.

In Fig. 5 ist als Beispiel ein p-n-p-Transistor mit dem n-leitenden Halbleitergrundkörper 14, der mit den Basiselektroden 17 und 18, dem Emitter 15 und dem Kollektor 16 versehen ist, schematisch darge- stellt. An die Enden 17 und 18 der Basis ist mittels sperrfreier Kontakte eine elektrische Gleichspannung gelegt, mittels der eine am Hohlrohr 19 eingeleitete Erregung in das Gebiet zwischen Emitter und Kol- lektor transportiert wird. Durch die bei 19 angeführten Signale wird der Kipp-und/oder Verstärkermecha- nismus des Transistors gesteuert. In entsprechender Weise lassen sich auch die Hookzonen in p-n-p-n-oder p-n-i-p-Halbleiteranordnungen u. dgl. beeinflussen.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass mehrere der im vorstehenden be- schriebenen bzw. schematisch dargestellten Halbleiteranordnungen mit verschiedenen Randbedingungen, beispielsweise verschiedenen geometrischen Längen und/oder verschiedenen Halbleitermaterialien usw., zu einem Satz miteinander kombiniert sind, von denen gegebenenfalls wiederum mehrere rasterartig mit- einander vereinigt werden können, so dass sich Signale oder Nachrichten nach dem Zeilen- und Spalten- system oder einem andern Abtastsystem auf die einzelnen Halbleiterkristalle verteilen lassen. Die Zuführung von Stromanschlüssen und/oder Trägerinjektionen kann unter Umständen durch längs der Halbleiterkristalloberfläche bewegliche Elektronenstrahlen realisiert werden.

Bei Benutzung von Halbleitern, bei denen die optischen Eigenschaften wesentlich durch die freien Ladungsträger bestimmt sind, so dass also die Plasmaeigenfrequenz in das ultrarote Frequenzgebiet oder noch darüber hinaus in das optische Gebiet rückt, sind die beschriebenen elektromagnetischen Mittel zur Einund Auskopplung der Schwingungszustände bzw. zur Steuerung derselben durch bekannte optische Mittel zu ersetzen, wodurch Hell-Dunkelsteuerungen und-verstärkungen möglich werden. Als Halbleiter kom- men vor allem solche mit extrem hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten in Frage, wie vor allem durch ABV-, A%IBVI- und A BVII-Verbindungen sowie deren Mehrfachverbindungen und auch im Flussspat- oder Antiflussspatgitter kristallisierende Halbleiter.

Im übrigen ist die Verwendung nicht auf die üblicherweise für Transistoren benutzten Materialien beschränkt, sondern auch flüssige Halbleiter oder Elektrolyte oder organische Halbleiter kommen zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens in Frage.

Zur Ausnutzung der magnetischen Effekte des schwingenden Plasmas in Halbleitern, beispielsweise zur Steuerung des Hall-Effektes und seiner Anwendungen, sind die im vorstehenden dargelegten Gesichtspunkte entsprechend zu modifizieren. Als allgemeine Bauvorschrift ist zu beachten, dass bei Selbsterregung der Schwingungen allein durch Driftwirkung die Driftgeschwindigkeit grösser sein muss als die mittlere thermische Geschwindigkeit der Ladungsträger bzw. Majoritätsträger. Dabei ist die mittlere thermische Geschwindigkeit bei Zimmertemperatur in der Grössenordnung von 5. 108 sec-l. Durch Anwendung geeigneter Temperaturen lässt sich die Realisierung der Schwingungen in gewünschten Bereichen erleichtern.

Die Vorgänge sind sowohl im Störleitungs- als auch im Eigenleitungsgebiet möglich, wobei die einzelnen Massnahmen entsprechend den in der Einleitung entwickelten Grundgedanken zu modifizieren sind.

Bei Erregung der Plasmaschwingungen durch Impulswirkung erhält man gute Resultate, wenn die Impulsdauer in der Grössenordnung von 10-Usec-1liegt. Bei der Verwendung einesFrequenzgemisches kann man beispielsweise zweiEnergiespektren miteinander kombinieren, dessen eines eine Länge von 10-12 sec-'und das andere eine Länge von 10-6 sec -1 besitzt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Erzeugung von Plasmaschwingungen in elektronischen Halbleitern, vorzugsweise Halbleitereinkristallen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial verwendet wird, das der Bedingung EMI6.1 genügt und dass die Ladungsträger des Halbleiters durch eine kurzzeitige Schwingungserregung, welche die EMI6.2 kopplung der Plasmaschwingungen vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auskopplung der Schwingungen mindestens ein Schwingungskreis (7) vorgesehen ist, welcher auf die Plasmaeigenfrequenz abgestimmt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur kurzzeitigen Schwingungserregung eine Elektrodenanordnung (8) vorgesehen ist, welche gegebenenfalls auf ein oder mehrere Frequenzen oder ein Frequenzband abgestimmt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die resonanzfähigen Systeme (6,7) zur Aus-und/oder Einkopplung der Schwingungen kapazitiv (4,5) mit dem Halbleiterkri- EMI6.3

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-und/oder Auskopplungselekuoden als Hohlleiter (8,9) ausgebildet sind, welche den Halbleiterkristall (1) umschlie- ssen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die resonanzfähigen Systeme (6,7) zur Ein-und/oder Auskopplung der Schwingungen über sperrende Elektroden (15, 16), bei- spielsweise p-n-Übergänge, mit dem Halbleiterkristall (1) verbunden sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Driftwirkung ein elektrisches Feld im Halbleiterkristall zeitweilig oder dauernd aufrechterhalten wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Driftwirkung ein Temperaturgradient im Halbleiterkristall zeitweilig oder dauernd aufrechterhalten wird.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftwirkung auf die Plasmaeigenfrequenz und auf den Abstand von Ein- und Auskopplungsort abgestimmt ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks kurzzeitiger Schwingungserregung ein hinreichend hohes elektrisches Feld zur Erzeugung einer Beschleunigung der Ladungsträger auf eine solche Geschwindigkeit vorgesehen ist, welche grösser als die mittlere Geschwindigkeit auf Grund der Wärmebewegung der Ladungsträger ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls Elektroden zur Erzeugung eines hohen elektrischen Feldes angeordnet sind, dessen Feldstärke dicht unterhalb oder oberhalb der Zenerspannung liegt und/oder Stossionisation bewirkt.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung und/oder Kühlvorrichtung zur Erzeugung eines kurzzeitig wirkenden hohen Temperaturgradienten vorgesehen sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je ein Ein-und Ausgangskreis miteinander rückgekoppelt sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Halbleiterkristall-Oberfläche mindestens eine Emitterelektrode angeordnet ist zwecks Injektion von Ladungsträgern und dadurch bedingter Steuerung, gegebenenfalls Modulation der Plasmaschwingungen.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Emitterelektrode mindestens eine Kollektorelektrode zugeordnet ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Filter geschaltet ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkristall in mehrere Zonen unterschiedlicher Dotierung, insbesondere unterschiedlichen Leitungstypus undyoder unterschiedlicher Ladungsträgerdichte, beispielsweise mitwechselnder p-, n- und i-Dotierung, unterteilt ist. <Desc/Clms Page number 7>

19. Einrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Inhomogeni- tätszonen, dass die Plasmaeigenschwingungen in den verschiedenen Zonen in rationalem, vorzugsweise ganzzahligem Verhältnis zueinander stehen, so dass sich eine Frequenzteilung bzw. Frequenzvervielfa- chung ergibt.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkör- per eine von der Zylinderform abweichende Gestalt, beispielsweise Kreuzform oder Weichenform. aufweist und gegebenenfalls mindestens teilweise gekrümmt ausgebildet ist.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkör- per Hohlrohrform besitzt und gegebenenfalls ganz oder teilweise Teil einer aus anderem Material, vorzugsweise Metall, bestehenden Hohlrohrleitung mit oder ohne Koaxialleiter ist.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Halbleiterkörpers, in welchem Plasmaschwingungen erzeugt sind, die aktive Zone einer an sich be- kannten Halbleitervorrichtung, beispielsweise die Basis und/oder den Emitter bzw. den Kollektor einer Transistor- oder Unipolartransistoranordnung, bildet.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterma- terial ein Halbleiter mit extrem hoher Ladungsträgerbeweglichkeit dient, beispielsweise aus einer AIIIBV, AIIBV'und AlBvjIoder deren Mehrfachverbindungen bzw. Verbindungen mit Elementen der vierten Grup- pe des Periodischen Systems besteht.