<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Bei Anordnungen, die nach dem sogenannten "Maser" -Prinzip arbeiten (microwave amplification by stimulated emission of radiation), wird die Tatsache ausgenutzt, dass, wenn ein Teilchen, z. B. ein Elektron, durch eine Strahlung dazu angeregt Wird, von einem Term höheren Energieinhaltes auf einen Term niedrigen Energieinhaltes überzugehen, eine der Energiedifferenz beider Terme entsprechende Strahlung ausgesandt wird, die vielfach stärker ist als die anregende Strahlung ; die Frequenzen der ausgesendeten und anregenden Strahlung sind gleich.
Eine fortlaufende Strahlungsaussendung kann durch eine Zusatzstrahlung erreicht werden, indem durch diese Strahlung wieder Teilchen aus dem Term niedrigeren Energieinhaltes in einen solchen Term angehoben werden, dessen Energieinhalt über dem Term liegt, von dem die Teilchen durch die Anregungsstrahlung wieder in die niedrige Energiestufe übergehen. Dieser Vorgang ist in schematisierter Form in Fig. 1 dargestellt, in der der Energieinhalt der durch waagrechte kurze Striche angedeuteten Terme a, b, c von oben nach unten abnimmt. Der Term a entspricht also einem grösseren Energieinhalt als der Term b, und b hat einen grösseren Energieinhalt als c. Bei der geschilderten Anordnung wird also zunächst durch die Zusatzstrahlung ein Teilchen (Elektron) von dem Term c zum Term a angehoben (siehe Pfeil 1 in Fig. 1).
Von dort fällt dieses Elektron dann (siehe Pfeil 2) auf den Term b ab, wo es haftet. Durch die Anregungsstrahlung, die dem Energieabstand zwisehen den Termen b und c entspricht, wird dann dieses Elektron veranlasst, von b nach c (siehe Pfeil 3) überzugehen, wobei dann die verstärkte Strahlung ausgesandt wird, deren Frequenz ebenso wie die der Anregungsstrahlung dem Energieabstand Eb. zwischen den Termen b und c gemäss der bekannten Formel Ebc = h. 11 entspricht. Aus der Tatsache, dass das Anheben des Elektrons auf dem Wege von c nach a einer höheren Energie bedarf als beim Übergang des Elektrons vom Term b nach c frei wird, geht schon hervor, dass die zur Anhebung des Elektrons dienende Zusatzstrahlung eine höhere Leistung haben muss als die beim Übergang des Elektrons von b auf c ausgesandte Strahlung.
Noch störender aber ist bei einer solchen Anordnung die Tatsache, dass die Frequenz der Zusatzstrahlung, durch die das Elektron von c nach a angehoben wird, entsprechend der Gleichung vea-h = Eca höher sein muss als die von der An- ordnung ausgesandte Strahlung. Der Vorteil der laufenden Aussendung einer Hochfrequenzstrahlung ist somit durch den schwerwiegenden Nachteil erkauft, dass die Zusatzstrahlung nicht nur eine sehr hohe Leistung haben muss, sondern sogar auch noch eine höhere Frequenz.
Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemässen Anordnung in einer geradezu überraschend einfachen Weise vermieden, indem die erfindungsgemässe Anordnung zur Erzeugung bzw. Verstärkung von Wellen über 101GHz nach dem Maser-Prinzip durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist : a) Durch einen insbesondere einkristallinen Halbleiterkörper, der zwei voneinander verschiedene Gebiete hat, in denen die Ladungsträger beim Stromdurchfluss durch zen Körper verschiedenen Energieinhalt haben, und in dessen Übergangsgebiet zwischen diesen beiden Gebieten die Ladungsträger höherer Energie durch Anregung mittels hochfrequenter Strahlung eine verstärkte Strahlung gleicher Frequenz abzugeben vermögen ;
b) durch eine Spannungsquelle, durch die dem Übergangsgebiet Ladungsträger aus dem Gebiet höherer Energie zufliessen, und
<Desc/Clms Page number 2>
c) durch eine Strahlungsquelle, deren hochfrequente Strahlung wenigstens bis in das erwähnte Übergangsgebiet des Halbleiterkörpers dringt.
Der sich aus dieser Massnahme ergebende Vorteil besteht darin, dass durch die Spannungsquelle fortlaufend Elektronen höherer Energie in die Übergangszone zwischen den beiden Teilgebieten des Halblei- terkörpers eingeführt werden, die nun unter den Einfluss der in die Übergangszone eindringenden Anre-
EMI2.1
positiven Ladungsträgern rekombinieren können, und dass zur Aufrechterhaltung der Strahlung lediglich der dauernde Stromfluss durch den Halbleiterkörper aufrechterhalten werden muss. Die an den Halbleiterkörper angelegte Spannung kann insbesondere eine Gleichspannung sein. Sie kann aber auch vorzugsweise zur Modulierung der vom Halbleiterkörper ausgesandten hochfrequenten Strahlung im Takte der gewünschen Modulationsfrequenz schwanken.
Auch impulsförmige Aussendungen von Strahlungen können dadurch bewirkt werden, dass an den von einer schwachen Anregungsstrahlung dauernd bestrahlten Halbleiterkörper eine Wechselspannung oder Spannungsimpulse angelegt werden, so dass von dieser Anordnung hochfrequente Strahlungsimpulse ausgesandt werden.
EMI2.2
leiter und Transistoren geeigneten und an sich bekannten Stoffe, wie z. B. Silizium, Germanium, A BV-Verbindungen in Frage. Darüber hinaus sind aber auch noch andere Halbleiterstoffe geeignet, z. B. Wismut-Tellurid (BizTes).
Dieses letztere eignet sich für den vorliegenden Zweck allein schon dadurch besonders gut, weil es nur einen geringen Bandabstand zwischen dem Valenz-und Leitungsband hat ; darüber hinaus besitzt es relativ zu den ändern genannten Stoffen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch der"Maser-Effekt"weiter begünstigt wird.
Um im Halbleiterkörper Gebiete verschiedenen Energieinhaltes der Ladungsträger zu haben, empfiehlt es sich, einen Halbleiterkörper mit einer p-und einer n-Zone zu verwenden. Da aber, wie schon oben erwähnt, die Frequenz der Anregungsstrahlung bzw. die Frequenz der ausgesandten Strahlung in einem festen Zusammenhang mit dem Energieverlust steht, den das durch die eindringende Strahlung angeregte Elektron beim Übergang in den Term niedrigeren Energieinhaltes erleidet, und diese Frequenz bei der Verwendung von Germanium oder Silizium als Halbleitergrundstoff der Wellenlänge von etwa lu m entspricht, empfiehlt es sich zur Erzielung von langwelligerer Strahlung im Übergangsgebiet zwischen den beiden p-und n-Zonen Haftstellen (sogenannte traps) einzubringen, deren Energieabstand voneinander bzw. vom Leitungsband zum trap bzw.
vom trap zum Valenzband des Halbleiters der gewünsch-
EMI2.3
Wellenlängeden traps ortsgleichim Halbier :'liegen müssen. damit die Elektroner'. durch den Einfluss der Anregungsstrah- lung übergehen können, wird vorgeschlagen, diese beiden traps durch Einbau von Atomen oder Molekülen solcher Stoffe zu bilden. deren Termabstand nur sehr klein ist und ganz innerhalb des verbotenen Bandes des Halbleiter-Grundstoffes liegt. Als solche Stoffe kommen für Germanium bzw. Silizium z. B. in Frage : Nickel, Eisen. Kupfer oder auch Gitterdefekte mit trap-Charakter. Durch ein magnetisches Zusatzfeld
EMI2.4
Takt von Impulsen oder einer Wechselspannung moduliert werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den folgenden Darlegungen und den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen hervor. In dem Beispiel der Fig. 2a und 2b besteht der Halbleiterkörper 1 aus den zwei Teilgebieten 11 und 12, von denen 11 p-leitend und 12 n-leitend ist. Der Halbleiterltör- per besitzt ferner zur sperrschichtfreien Kontaktierung der beiden Teilgebiete 11, 12 jeweils Schichten 2, 3, deren Überdotierung in Fig. 2 durch die Bezeichnungen pp bzw. nn angedeutet ist. Diese zur sperrschichtfreien Stromzuführung dienenden Schichten sind möglichst dünn, damit sie für die ein-bzw. ausfallende Strahlung möglichst gut durchlässig sind ; die Stromzuführung zu ihnen erfolgt z.
B. durch ringförmig aufgebrachte Metallelektroden 4, 5 (siehe auch den Seitenriss der Halbleiteranordnung in Fig. 2b), an die eine Spannungsquelle 6 angeschlossen ist. Die Polung dieser Spannungsquelle ist so gewählt, dass der Halbleiter 1 in Flussrichtung betrieben ist. In die Zwischenschicht l* des Halbleiters l zwischen den beiden p-und n-Gebieten 11 und 12 fliessen also dauernd Elektronen aus dem Teilgebiet hinein, die von ihrem Zustand höherer Energie, den sie in diesem Gebiet 12 besitzen, in der Zwischenschicht l* auf niedrigere Energiestufen absinken, insbesondere mit den von dem Teilgebiet 11 kommenden Defektelektronen rekombinieren.
Um eine besonders günstige Strahlungsausbeute zu haben, ist der Halbleiter scheibenförmig mit möglichst ebenen Oberflächen ausgebildet, vor allem ist auch die Übergangsschicht möglichst eben. Die auf ihn auffallende Strahlung, die in Fig. 2a mit den pfeilen S 1 angedeutet ist, dringt, da ihre Frequenz 111 kleiner ist als der Quotient aus dem Energieabstand zwischen dem Valenz- und
<Desc/Clms Page number 3>
Leitungsband und dem Planckschen Wirkungsquantum h, bis in die Zwischenschicht l'zwischen den Teilgebieten 11, 12 ein und löst dort die verstärkte Strahlung aus, die nun wiederum aus dem Halbleiter herausstrahlt.
Um die Wellenlänge der aus dem Halbleiter austretenden verstärkten Strahlung bzw. die Wellenlänge der anregenden Strahlung S nicht zu klein werden zu lassen, um also z. B. eine Strahlung im mm-Gebiet zu erhalten, sind, wie schon oben angegeben, wenigstens in dem Zwischengebiet l'im Halbleiterkörper Haftstellen für die aus dem Gebiet 12 kommenden Elektronen bzw. für die aus dem Gebiet 11 kommenden Defektelektronen vorgesehen, deren Energieabstand der gewünschten Wellenlänge entsprechend klein ist.
Die in diese Haftstellen aus dem Leitungsband übergegangenen Elektronen werden durch die einfallende Strahlung S 1 zum Übergang in das Valenzband bzw. in eine energetisch tiefer liegende Haftstelle am gleichen Ort angeregt, wobei sie dann dort mit den Defektelektronen rekombinieren und bei diesem Übergang die verstärkte Strahlung aussenden, die dem geringen Energieabstand entsprechend die gewünschte Wellenlänge besitzt.
Die Energie der ausgesandten Strahlung ist gleich abhängig von der Menge der gleichzeitig zum Übergang angeregten Elektronen und ist somit im wesentlichen proportional der Stärke des durch den Halbleiter 1 führenden Stromes. In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird dies ausgenutzt ; zu diesem Zweck ist in dem Stromkreis noch ein Übertrager 7 vorgesehen, dessen Primärseite 71 z. B. von einem Wechselstrom durchflossen ist, der aus einer Spannungsquelle 8 über ein Mikrophon 9 durch diese Pri- märwicklung fliesst und in der Sekundärwicklung eine der Spannung 6 überlagerte Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung hat einen entsprechend schwankenden Stromfluss durch den Halbleiter 1 zur Folge, so dass die ausgesandte Strahlung eine im Takte der Sprachfrequenz schwankende Energie hat.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen und der folgenden Beschreibung hervor :
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die scheibenförmige Halbleiteranordnung 1 zwischen zwei Hohlleitern 31, 32 angeordnet, u. zw. derart, dass die beiden metallischen Halbleiter 31, 32 als ringförmige Stromzuführungen zu den überdotierten pp-bzw. nn-Schichten 2,3 des Halbleiters 1 dienen.
Der Hohlleiter 31 ist mit dem +Pol der Batterie 6 verbunden, während der negative Pol dieser Spannungquelle über die Sekundärseite 72 des Übertragers 7 mit dem Hohlleiter 32 verbunden ist. Der Halbleiter 1 liegt also an einer in Flussrichtung gepolten Spannungsquelle, so dass die Elektronen fortlaufend aus dem n-leitfähigen. Teil des Halbleiters 1 in die Zwischenschicht l'zwischen der p-und der n-Zone nachgeliefert werden. Die Primärseite 71 des Übertragers 7 ist, wie schon in Fig. 2 dargestellt, über eine Batterie 8 an ein Mikrophon 9 angeschlossen, so dass der Spannung der Gleichstromquelle 6 eine Wechselspannung im Takte der Sprachfrequenz überlagert ist, mit der das Mikrophon 9 beaufschlagt wird. Die.
Anordnung des Halbleiters 1 zwischen diesen beiden Hohlleitern ist derart, dass die Übergangsschicht l' zwischen den beiden p-n-Zonen des Halbleiters etwa senkrecht zu den Achsen der beiden Hohlleiter 31, 32 liegt. Die einfallende Strahlung, die mit SI bezeichnet ist, fällt somit etwa senkrecht auf die Zwischenschicht l'auf. In dieser Zwischenschicht wird in der geschilderten Weise durch die Anregungsstrahlung SI die verstärkte Strahlung Sz angeregt, die im wesentlichen in gleicher Richtung wie die Einfallrichtung der Strahlung S 1 aus dem Halbleiter 1 austritt und in den zweiten Hohlleiter 32 eintritt.
An Stelle der hier gezeigten metallischen Hohlleiter 31,32 können auch, wie aus Fig. 4 hervorgeht, dielektrische Hohlstrahler-verwendet werden, bei denen die einfallende Strahlung S 1 in an sich bekannter Weise innerhalb eines stabförmigen Nichtleiterstabes geführt wird. Auch hier trifft die einfallende Strahlung S, insbesondere etwa senkrecht auf die Übergangsschicht l'zwischen den beiden p-n-Zonen des Halbleiters auf. Auch für die Fortleitung der ausfallenden Strahlung Sa kann ein dielektrischer Strahlungsleiter dienen, indem die aus dem Halbleiter austretende Strahlung in die Stirnseite des stabförmigen Strahlers eintritt und sich dort in an sich bekannter Weise fortpflanzt.
Zur Kontaktierung dieses Halbleiters'dienen in dem in Fig. 4 gezeichneten Beispiel ähnlich wie in Fig. 2 besondere Kontaktierungsringe 4, 5, an die eine in Flussrichtung des p-n-Überganges gepolte Spannungsquelle, z. B. der in Fig. 2 gezeigte Stromkreis, in nicht näher dargestellter Weise angeschlossen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ferner die Spule 40 vorgesehen, die bei Stromdurchfluss ein das Übergangsgebiet l'durchdringendes Magnetfeld erzeugt, das bei einem in diesem Übergangsgebiet befindlichen trap, das an sich nur einen wirksamen Energieterm hat, eine Aufspaltung dieses Terms in insbesondere zwei eng benachbarte Terme erzwingt und dadurch einen von der Stärke des Magnetfeldes abhängigen Energiesprung erzeugt, der eine relativ grosse Wellenlänge der ausgesandten Strahlung zur Folge hat.