Anordnung zur Erzeugung bzw. Verstärkung sehr hochfredueaiter Strahlung nach dem Maser -Prinzip Bei Anordnungen, die nach dem sogenannten Maser -Prinzip arbeiten (Microwäve amplification by stimulated _emission of radiation), wird die Tat sache ausgenutzt, dass, wenn ein Teilchen, z.
B. ein Elektron, durch eine Strahlung dazu angeregt wird, von einem Term höheren Energieinhalts auf einen Term niedrigeren Energieinhalts überzugehen, eine der Energiedifferenz beider Terme entsprechende Strahlung ausgesandt wird, die vielfach stärker ist als die anregende Strahlung; die Frequenzen der aus gesendeten und anregenden Strahlung sind gleich.
Eine fortläufende Strahlungsaussendung kann durch eine Zusatzstrahlung erreicht werden, indem durch diese Strahlung wieder Teilchen aus dem Term niedrigeren Energieinhalts in einen solchen Term angehoben werden, dessen Energieinhalt über dem Term liegt, von dem die Teilchen durch die Anre gungsstrahlung wieder in die niedrigere Energiestufe übergehen.
Dieser Vorgang ist in schematisierter Form in Fig. 1 dargestellt, in der der Energieinhalt der durch waagrechte kurze Striche angedeuteten Terme <I>a, b,</I> c von oben nach unten abnimmt. Der Term a entspricht also einem grösseren Energieinhalt als der Term <I>b,</I> und<I>b</I> hat einen grösseren Energie inhalt als c.
Bei der geschilderten Anordnung wird also zunächst durch die Zusatzstrahlung ein Teil chen (Elektron) von dem Term c zum Term a an gehoben (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 zwischen den Termen b und c ent spricht, 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 Energie abstand Eb, zwischen den Termen b und c gemäss der bekannten Formel Eb, <I>- h - v</I> 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, däss die zur Anhe bung 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 v.. --h <I>=</I> E", höher sein muss als die von der Anordnung ausgesandte Strah lung.
Der Vorteil der laufenden Aussendung einer Hochfrequenzstrahlung ist somit durch den schwer wiegenden Nachteil erkauft, dass die Zusatzstrahlung nicht nur eine sehr hohe Leistung haben muss, sön- dern sogar auch noch eine höhere Frequenz.
Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemä ssen Anordnung in einer geradezu überraschend ein fachen Weise vermieden, indem die erfindungsge mässe Anordnung zur Verstärkung oder Erzeugung sehr hochfrequenter Strahlung nach dem Maser- Prinzip durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
Durch einen elektronenleitenden, insbesondere ein- kristallinen, Halbleiterkörper, der zwei voneinander verschiedene Gebiete hat, in denen die Ladungsträ ger beim,Stromdurchfluss durch den Körper verschie denen Energieinhalt haben,
und in dessen übergangs- gebiet zwischen diesen beiden Gebieten die Ladungs träger höherer Energie durch Anregung mittels hoch- frequenter Strahlung, die wenigstens in dem Über- gangsgebiet des Halbleiterkörpers verläuft;
eine ver stärkte Energiestrahlung gleicher Frequenz abzugeben vermögen und durch eine Spannungsquelle, durch die dem Übergangsgebiet Ladungsträger aus dem Gebiet höherer Energie zufliessen, sowie durch Mittel, durch die hochfrequente Strahlung in das übergangs- gebiet eingestrahlt wird.
Der sich aus dieser Massnahme ergebende Vor teil besteht darin, dass durch die Spannungsquelle fortlaufend Elektronen höherer Energie in die Über gangszone zwischen den beiden Teilgebieten des Halbleiterkörpers eingeführt werden, die nun unter dem Einfluss der in die Übergangszone eindringen- den Anregungsstrahlung in niedrigere Energiestufen unter Abgabe der verstärkten Strahlung übergehen, z.
B. mit positiven Ladungsträgern rekombinieren können, und dass zur Aufrechterhaltung der Strah lung lediglich der dauernde Stromfuss durch den Halbleiterkörper aufrechterhalten werden muss.
Die an den Halbleiterkörper angelegte Spannung kann insbesondere eine Gleichspannung sein. Sie kann aber auch vorzugsweise zur Moduherung der vom Halb leiterkörper ausgesandten hochfrequenten Strahlung im Takte der gewünschten Modulationsfrequenz schwanken.
Auch impulsförmige Aussendungen von Strahlungen können dadurch bewirkt werden, dass an den von einer schwachen Anregungsstrahlung dauernd bestrahlten Halbleiterkörper eine Wechsel spannung oder Spannungsimpulse angelegt werden, so dass von dieser Anordnung hochfrequente Strah lungsimpulse ausgesandt werden.
Als gut geeignete Halbleitergrundstoffe für die Anordnung gemäss der Erfindung kommen die für Richtleiter und Transistoren geeigneten und an sich bekannten Stoffe, wie z. B. Silizium, Germanium, AIIIBV- Verbindungen in Frage. Darüber hinaus sind aber auch noch andere Halbleiterstoffe geeignet, z. B.
Wismut Tellurid (Bi2Te3). Dieses letztere eignet sich für den vorliegenden Zweck allein schon dadurch besonders - gut, weil es nur einen geringen Bandab stand zwischen dem Valenz- und Leitungsband hat; darüber hinaus besitzt es relativ zu den anderen ge nannten Stoffen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch der Maser-Effekt weiter begünstigt wird.
Um im Halbleiterkörper Gebiete verschiedenen Energieinhalts 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 an geregte Elektron beim Übergang in den Term niedri geren Energieinhalts erleidet, und diese Frequenz bei der Verwendung von Germanium oder Silizium als Halbleitergrundstoff der Wellenlänge von etwa 1 ,um entspricht,
empfiehlt -es sich zur Erzielung von lang- welligerer Strahlung im Übergangsgebiet zwischen der p- und der -n-Zone Haftstellen (sogenannte traps) einzubringen, deren Energieabstand voneinander bzw. vom Leitungsband zur Haftstelle bzw. von dieser zum Valenzband des Halbleiters der gewünschten Wellenlänge der ausgesandten Strahlung entsprechend klein ist.
Da bei Verwendung von zwei Haftstellen diese beiden ortsgleich im Halbleiter liegen müssen, damit die Elektronen durch den Einfluss der Anre gungsstrahlung übergehen können, wird vorgeschla gen, diese beiden Haftstellen durch Einbau von Atomen oder Molekülen solcher Stoffe zu bilden, deren Termabstand nur sehr klein ist und ganz in nerhalb des verbotenen Bandes des Halbleiter-Grund- stoffes liegt. Als solche Stoffe kommen für Ger manium bzw. Silizium z.
B. in Frage Nickel, Eisen, Kupfer oder auch Gitterdefekte mit Haftstellen charakter. Durch ein magnetisches Zusatzfeld kann ferner die Federstruktur der Haftstellenniveaus aus genützt werden. In diesem Fall kann der Termab- stand und damit die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung auch vom Magnetfeld her gesteuert, z. B. im Takt von Impulsen oder einer Wechselspannung moduliert werden.
Weitere Einzelheiten gehen aus den folgenden Darlegungen und den in den Figuren gezeigten Aus führungsbeispielen der Erfindung hervor. In dem Beispiel der Fig.2a und 2b besteht der Halbleiter körper 1 aus den zwei Teilgebieten 11 und 12, von denen 11 p-leitend und 12 n-leitend ist.
Der Halb leiterkörper besitzt ferner zur sperrschichtfrenen Kon- taktierung der beiden Teilgebiete 11, 12 jeweils Schichten 2, 3, deren Überdotierung in der Fig.2 durch die Bezeichnungen<I>pp</I> bzw. nn angedeutet ist.
Diese zur sperrschichtfreien Stromzuführung dienen den 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 Halbleiteranord nung 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 1' des Halbleiters 1 zwi schen den beiden p- und n-Gebieten 11 und 12 flie ssen also dauernd Elektronen aus dem Teilgebiet hinein, die von ihrem Zustand höherer Energie, den sie in diesem Gebiet 12 besitzen, in der Zwischen schicht 1' auf niedrigere Energiestufen absinken, ins besondere mit den von dem Teilgebiet 11 kommen den Defektelektronen rekombinieren. Um eine beson ders günstige Strahlungsausbeute zu haben,
ist der Halbleiter scheibenförmig mit möglichst ebenen Ober flächen ausgebildet, vor allem ist auch die übergangs- schicht möglichst eben.
Die auf ihn auffallende Strahlung, die in der Fig.2a mit den Pfeilen S1 an gedeutet ist, dringt, da ihre Frequenz v1 kleiner ist als der Quotient aus dem Energieabstand zwischen dem Valenz- und Leitungsband und dem Planck- schen Wirkungsquantum h, bis in die Zwischen schicht l' zwischen den Teilgebieten<B>11,</B> 12 ein und löst dort die verstärkte Strahlung aus,
die nun wie derum aus dem Halbleiter herausstrahlt. Um die Wellenlänge der aus dem. Halbleiter austretenden verstärkten Strahlung bzw. die Wellenlänge der an- regenden Strahlung S1 nicht zu klein werden zu las sen, um also z. B. eine Strahlung im mm-Gebiet zu erhalten, sind, wie schon oben angegeben, wenigstens in dem Zwischengebiet 1' im Halbleiterkörper Haft stellen für die aus dem Gebiet 12 kommenden Elek tronen 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 über gegangenen Elektronen werden durch die einfallende Strahlung S1 zum Übergang in das Valenzband bzw. in eine energetisch tiefer liegende Haftstelle am glei chen Ort angeregt, wobei sie dann dort mit den Defektelektronen rekombinieren und bei diesem über- gang die verstärkte Strahlung aussenden, die dem geringen Energieabstand entsprechend die gewünschte Wellenlänge besitzt.
Die Energie der ausgesandten Strahlung ist zu 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 die sem Zweck ist in dem Stromkreis noch ein übertra- ger 7 vorgesehen, dessen Primärseite 71 z.
B. von einem Wechselstrom durchflossen ist, der aus einer Spannungsquelle 8 über ein Mikrophon 9 durch diese Primärwicklung fliesst und in der Sekundärwicklung eine der Spannung 6 überlagerte Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung hat einen entspre chend schwankenden Stromfluss durch den Halblei ter 1 zur Folge, so dass die ausgesandte Strahlung eine im Takte der Sprachfrequenz schwankende Ener gie hat.
Weitere Einzelheiten gehen aus den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfin dung und der folgenden Beschreibung hervor: Bei der Fig. 3 ist die scheibenförmige Halbleiter anordnung 1 zwischen zwei Hohlleitern 31, 32 angeordnet, und zwar derart, dass die beiden metal lischen Hohlleiter 31, 32 als ringförmige Stromzu führungen zu den überdotierten pp- bzw. nn-Schncht- ten 2, 3 des Halbleiters 1 dienen.
Der Hohlleiter 31 ist mit dem +Pol der Batterie 6 verbunden, wäh rend der negative Pol dieser Spannungsquelle über die Sekundärseite 72 des Übertragers 7 mit dem Hohl leiter 32 verbunden ist. Der Halbleiter 1 liegt also an einer in Flussrichtung gepolten Spannungsquelle, so dass die Elektronen fortlaufend aus dem n-leit- fähigen Teil des Halbleiters 1 in die Zwischenschicht 1' zwischen der p- und der n-Zone nachgeliefert wer den.
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 Span nung 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 1' zwischen der p- und n-Zone des Halbleiters etwa senkrecht zu den Achsen der beiden Hohlleiter 31,
32 liegt. Die einfal lende Strahlung, die mit S1 bezeichnet ist, fällt somit etwa .senkrecht auf die Zwischenschicht 1' auf. In dieser Zwischenschicht wird in der geschilderten Weise durch die Anregungsstrahlung S1 die ver stärkte Strahlung S2 angeregt, die im wesentlichen in gleicher Richtung wie die Einfallrichtung der Strah lung S1 aus dem Halbleiter 1 austritt und in den zweiten Hohlleiter 32 eintritt.
An Stelle der hier gezeigten metallischen Hohllei ter 31, 32 können auch, wie aus Fig. 4 hervorgeht, dielektrische Strahlungsleiter 31', 32' verwendet wer den, bei denen die einfallende Strahlung S1 in an sich bekannter - Weise innerhalb eines stabförmigen Nichtleiterstabes geführt wird.
Auch hier trifft die einfallende Strahlung S1 insbesondere etwa senkrecht auf die Übergangsschicht 1' zwischen der, p- und n-Zone des Halbleiters auf.
Auch für die Fortleitung der ausfallenden Strahlung S2 kann ein dielektrischer Strahlungsleiter dienen, indem die aus dem Halblei ter austretende Strahlung in die Stirnseite des stab- förnügen Strahlers eintritt und sich dort in an sich bekannter Weise fortpflanzt.
Zur Kontakbierung die ses Halbleiters dienen in dem in Fig. 4 gezeichneten Beispiel ähnlich wie in Fig. 2 besondere Kontaktie- rungsringe 4., 5, an die eine in Flussrichtung des p-n- Überganges gepolte Spannungsquelle, z. B. der in Fig.2 gezeigte Stromkreis, in nicht näher darge stellter Weise angeschlossen- ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ferner die Spule 40 vorgesehen, die bei Stromdurchfluss ein das über gangsgebiet 1' durchdringendes Magnetfeld erzeugt, das bei einer in diesem Übergangsgebiet befindlichen Haftstelle, die an sich nur .einen wirksamen Energie term hat, eine Aufspaltung dieses Terms in insbeson dere zwei eng benachbarte Terme erzwingt und da durch einen von der Stärke des Magnetfeldes abhän- gigen Energiesprung erzeugt,
der eine relativ grosse Wellenlänge der ausgesandten Strahlung zur Folge hat.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper in einem abgestimmten Resonator angeordnet. Dieser kann z. B. ein Hohlraumresona- tor sein. Für besondere hochfrequente, insbesondere optische Strahlung, für die bekanntlich die Wellen länge praktisch in jedem Falle klein gegenüber den Abmessungen eines für die Strahlung dieser Frequenz in Frage kommenden Resonators, z. B. eines Fabry- Perot-Interferometers ist, kann z.
B. die Anordnung der Fig. 4 als Resonator wirksam werden. Wegen des Unterschiedes der Dielektrizitätskonstanten bzw. der Brechungsindizes von 1 und 31' bzw. 1 und 32' kön nen die Grenzflächen zwischen 1 und 31' und 1 und 32' als Reflektoren für die in 1 bzw. 1' erzeugte Strahlung wirken. Sie bilden dann einen abgestimm ten Resonator, etwa nach Art des bekannten Perot- Fabry-Interferometers, für die in 1 erzeugte Strah lung.
Auch die äusseren, in der Figur nicht mehr dargestellten Endflächen von 31' und 32' können ass Reflexionsflächen für die Strahlung wirken. Im Falle für die Strahlung paralleler oder konfokaler Anord nung dieser Flächen zueinander können auch diese anstelle der Flächen zwischen 1 und 31' bzw. 1 und 32' zusammen mit dem dazwischenliegenden Raum die Funktion eines Resonators <RTI
ID="0004.0010"> übernehmen.