DE1192319B

DE1192319B - Electromagnetic coherent radiation source with a doped cuboid semiconductor as a selectively fluorescent medium

Info

Publication number: DE1192319B
Application number: DEG39713A
Authority: DE
Inventors: George Feher
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1963-01-28
Filing date: 1964-01-27
Publication date: 1965-05-06
Also published as: BE643009A

Description

Elektromagnetische kohärente Strahlungsquelle mit einem dotierten quaderförmigen Halbleiter als selektiv fluoreszentem Medium Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere einen dotierten Halbleiterkristall, der elektromagnetische Strahlung dadurch erzeugt, daß Elektronen unter Umkehr der Besetzungsverteilung auf eine höhere Energiestufe gehoben werden und anschließend phasengleich in eine niedere Energiestufe zurückfallen.Electromagnetic coherent radiation source doped with a Cuboid Semiconductors as Selectively Fluorescent Medium The invention relates to an electromagnetic radiation source, in particular a doped semiconductor crystal, the electromagnetic radiation generated by electrons reversing the Casting distribution can be raised to a higher energy level and then fall back in phase to a lower energy level.

Um eine überbesetzung der höheren Energiestufen zu erreichen, muß die normale Verteilung der Stufenbesetzung umgekehrt werden. Bei normaler Temperatur ist ein: größerer Anteil der Elektronen in denn jeweils tieferen Energiezustand. Daher ist die Umkehr der Besetzungsverteilung mit dem Ziel einer Überbesetzung der höheren, Energiezustände eine Vorbedingung dafür, daß man höchste Energieabgaben von den Elektrozen erhält.In order to achieve an overstaffing of the higher energy levels, one must the normal distribution of the level occupation can be reversed. At normal temperature is a: larger proportion of electrons in the lower energy state. Therefore, the reversal of the occupation distribution with the aim of overstaffing the higher, energy states a prerequisite for the highest energy output from the Elektrozen.

Die Umkehrung der Besetzung kann durch verschiedene, in der Technik gut bekannte Verfahren erreicht werden. Hohe Energiezustände an Elektronen entstehen durch Absorption elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge. Die Stoßanregung in Gasen oder die p-n-Vereinigungen von Unterschußträgern sind in der Technik ebenfalls bekannt.The inversion of the occupation can be through different, in technique well known methods can be achieved. Electrons have high energy states by absorption of electromagnetic radiation of suitable wavelength. The shock excitation in gases or the p-n unions of sub-shot carriers are also in the art known.

In der vorliegenden Erfindung wird die Umkehr der Besetzung der Elektronenspinzustände in einem Halbleiter oder Halbmetall, beispielsweise in Indiumantimonid, dadurch erreicht, daß man ein elektrisches Gleichfeld und ein magnetisches Gleichfeld auf den Halbleiter oder das Halbmetall einwirken läßt. Nach der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Strahlung in dem Frequenzbereich von den Mikrowellen bis zu den Infrarotbanden erhalten werden. Die Arbeitsfrequenz kann durch die Stärke des magnetischen Gleichfeldes bestimmt sein sowie durch die Eigenschaften der in dem Kristallgitter des Halbleiters eingeschlossenen paramagnetischen Verunreinigungen.In the present invention, the inversion of the population of the electron spin states is used in a semiconductor or semi-metal, for example in indium antimonide, thereby achieves that one has a constant electric field and a constant magnetic field allows the semiconductor or the semi-metal to act. According to the present invention can electromagnetic radiation in the frequency range from the microwaves up to the infrared bands can be obtained. The working frequency can be determined by the strength of the constant magnetic field and the properties of the in paramagnetic impurities trapped in the crystal lattice of the semiconductor.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische, aus einem Festkörper bestehende Strahlungsquelle zu schaffen. Ferner gibt die Erfindung die Möglichkeit, die Energiezustände der Elektronen durch eine an den Festkörper angelegte Gleichspannung anzuheben und dadurch die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung anzuregen. Diese elektromagnetische Strahlungsquelle wird durch eine Gleichspannung wirksam, und ihre natürliche Frequenz ist durch ein magnetisches Feld regelbar. Ferner soll die Erfindung eine elektromagnetische Strahlungsquelle schaffen, die einfach, preiswert in der Herstellung, zuverlässig, klein und wirksam, ist.It is the object of the invention to provide an electromagnetic, from one Solid body existing radiation source to create. The invention also provides the Possibility of changing the energy states of the electrons through an applied to the solid Raising DC voltage and thereby generating electromagnetic radiation to stimulate. This electromagnetic radiation source is generated by a direct voltage effective, and their natural frequency can be regulated by a magnetic field. Furthermore, the invention is intended to provide an electromagnetic radiation source which is simple, inexpensive to manufacture, reliable, small and effective.

Für ein dotiertes quaderförmiges Halbleitermedium, das mit zwei sich gegenüberstehenden, ohmsche Kontakte tragenden, parallelen Endflächen ausgestattet und von Gleichstrom durchflossen ist, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein magnetisches Gleichfeld zusätzlich auf den Halbleiter einwirkt.For a doped cuboid semiconductor medium, which with two opposite, ohmic contacts-bearing, parallel end faces equipped and is traversed by direct current, this is achieved according to the invention by that a constant magnetic field also acts on the semiconductor.

In einer Ausgestaltung der Erfindung steht das magnetische Gleichfeld senkrecht zu dem zwischen den Endflächen liegenden elektrischen Feld. Dabei ist im Mikrowellenbereich in Ausbildung der Erfindung die Anschlußvorrichtung zur Ableitung der elektromagnetischen Energie aus dem Halbleiter ein elektromagnetischer Schwingkreis, wobei vorzugsweise der Halbleiterkörper in einem Mikrowellenhohlraumresonator untergebracht ist und die Abstrahlung dar elektromagnetischen Energie aus diesem Hohlraumresonator erfolgt. Der Halbleiterkörper ist in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung keilförmig und hat eine große, als Kathode und eine kleine, als Anode ausgebildete gegenüberstehende Endfläche, wodurch sich das elektrische Feld in diesem Halbleiterkörper zu einem Ende hin verstärkt. Der Halbleiterkörper kann paramagnetische Verunreinigungen enthalten, deren Konzentration in Richtung auf eine Endfläche abgestuft ist, wodurch sich das elektrische Feld in diesem Halbleiterkörper zu einem Ende hin verstärkt. In weiterer Ausbildung der Erfindung erzeugt ein Paramagnet das magnetische Gleichfeld. Das magnetische Feld steht sowohl senkrecht auf dem von den Endflächen ausgehenden elektrischen Feld als auch senkrecht auf den zwei größten Flächen des scheibenförmigen Mediums, wodurch die Elektronen mit hoher Energie zu der ersten Schmalseitenfläche des Halbleiterkörpers und die Elektronen mit niedriger Energie zu der zweiten Schmalseitenfläche des Halbleiterkörpers abgelenkt werden. Für die Elektronen mit niedriger Energie besteht eine elektrisch leitende Verbindung von der zweiten Schmalseitenfläche über einen Leiter zur Wandung des Hohlraums.In one embodiment of the invention, there is a constant magnetic field perpendicular to the electric field between the end faces. It is in the microwave range in the embodiment of the invention, the connection device for derivation the electromagnetic energy from the semiconductor is an electromagnetic resonant circuit, wherein the semiconductor body is preferably accommodated in a microwave cavity resonator and the radiation of electromagnetic energy from this cavity resonator he follows. In an expedient development of the invention, the semiconductor body is wedge-shaped and has a large opposite one, designed as a cathode and a small one, designed as an anode End face, whereby the electric field in this semiconductor body becomes a Reinforced towards the end. The semiconductor body can contain paramagnetic impurities, whose concentration is graded towards an end face, whereby the electric field in this semiconductor body intensified towards one end. In further Embodiment of the invention, a paramagnet generates the constant magnetic field. That The magnetic field is both perpendicular to the electric field emanating from the end faces Field as well as vertically the two largest faces of the disc-shaped Medium, whereby the electrons with high energy to the first narrow side surface of the semiconductor body and the electrons with low energy to the second narrow side surface of the semiconductor body are deflected. For the low energy electrons there is an electrically conductive connection from the second narrow side surface a conductor to the wall of the cavity.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verläuft das magnetische Gleichfeld parallel zu dem elektrischen Feld. Dabei erfolgt die Ausstrahlung elektromagnetischer Energie im optischen Bereich durch eine teildurchlässige dielektrisch verspiegelte Seitenfläche des Halbleiterkörpers, deren gegenüberstehende Seitenfläche mit einer totalreflektierenden dielektrischen Schicht belegt ist und die beide zur Richtung des Magnetfeldes senkrecht stehen.In another embodiment of the invention, the magnetic one runs DC field parallel to the electric field. The broadcast is more electromagnetic Energy in the optical range through a partially transparent dielectrically mirrored Side surface of the semiconductor body, the opposite side surface with a totally reflective dielectric layer is covered and both of the direction of the magnetic field are vertical.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt. Diese werden nachfolgend beschrieben.Exemplary embodiments are shown in the drawing. These will described below.

F i g. 1 kennzeichnet die Grundform der Erfindung; F i g. 2 ist ein Diagramm, das die Wirkungsweise der Ausführung der F i g. 1 erklärt; F i g. 3 ist eine Abwandlung der Ausführung von Fig.l; F i g. 4 ist ein Diagramm, das die Arbeitsweise der Ausführung der F i g. 3 erläutert; F i g. 5 stellt eine Ausführung dar, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeitet; F i g. 6 stellt eine andere Ausführung dieser Erfindung dar, die ebenfalls mit Mikrowellenfrequenzen arbeitet; F i g. 7 ist eine Vorderansicht der F i g. 6, und F i g. 8 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die im optischen Bereich arbeitet.F i g. 1 indicates the basic form of the invention; F i g. 2 is a Diagram showing the mode of operation of the execution of the F i g. 1 declared; F i g. 3 is a modification of the embodiment of Fig.l; F i g. 4 is a diagram showing the operation the execution of the F i g. 3 explained; F i g. 5 illustrates an embodiment that works with microwave frequencies; F i g. 6 shows another embodiment of this Invention, which also works with microwave frequencies; F i g. 7 is a Front view of FIG. 6, and FIG. 8 shows an embodiment of the invention that works in the optical field.

Bei einem Halbleiter, bei dem sich die Elektronenspins der eingebauten paramagnetischen Verunreinigungen (im folgenden als »feste Spins« bezeichnet) hauptsächlich durch Wechselwirkungen zwischen den Spins der freien Leitungselektronen einstellen, wird eine invertierte Besetzungsverteilung der festen Spins dadurch erreicht, daß die kinetische Temperatur der Leitungselektronen in Gegenwart eines magnetischen Feldes ansteigt. Es ergibt sich dabei die Beziehung wobei TF die Spintemperatur der festen Spins, Ts die Spintemperatur der Leitungselektronen und TR die kinetische Temperatur der Leitungselektronen ist. gs bzw. gF sind die elektronischen g-Werte der Leitungselektronen bzw. der festen Spins. Bei der vorliegenden Erfindung werden Stoffe benutzt, deren Elektronen hohe Beweglichkeit und geringe effektive Masse haben. Daher erhöht ein verhältnismäßig schwaches elektrisches Feld die kinetische Temperatur TR der freien Elektronen sehr stark. Solche Stoffe bestehen beispielsweise aus Indiumantimonid, Wismut oder Zink. Zu ihnen ist gs um ein Mehrfaches größer als gF und hat ein anderes Vorzeichen, so daß sich eine »negative« absolute Temperatur ergibt.In the case of a semiconductor in which the electron spins of the built-in paramagnetic impurities (hereinafter referred to as "fixed spins") mainly result from interactions between the spins of the free conduction electrons, an inverted population distribution of the fixed spins is achieved by increasing the kinetic temperature of the conduction electrons increases in the presence of a magnetic field. The relationship arises where TF is the spin temperature of the fixed spins, Ts the spin temperature of the conduction electrons and TR the kinetic temperature of the conduction electrons. gs and gF are the electronic g values of the conduction electrons and the fixed spins, respectively. In the present invention, substances are used whose electrons have high mobility and low effective mass. Therefore, a relatively weak electric field increases the kinetic temperature TR of the free electrons very much. Such substances consist, for example, of indium antimonide, bismuth or zinc. For them, gs is several times greater than gF and has a different sign, so that a "negative" absolute temperature results.

Falls eine Differenz zwischen TR und Ts mit geeigneten Vorzeichen und der erforderlichen Größe erreichbar ist, kann nach der obigen Beziehung ein »negativer« Temperaturzustand TF erzielt werden, der die Zustände der festen Spin beschreibt. Eine homogene InSb-Platte 11, die sich zur Verwendung als Gleichstrommolekularverstärker eignet, ist in F i g. 1 dargestellt. Ohmsche Kontakte 12; 13 ohne Gleichrichterwirkung liegen an beiden Enden der Platte 11. Kontakt 12 ist mit der positiven Seite und Kontakt 13 mit der negativen Seite einer geeigneten Gleichstromquelle verbunden. Die Gleichstromquelle erzeugt in der Platte 11 ein elektrisches Gleichfeld. Die an dem Kontakt 13 in die Platte 11 eintretenden Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt. Entsprechend ihrer hohen Beweglichkeit bekommen die Elektronen eine Geschwindigkeit, die größer als ihre mittlere thermische Geschwindigkeit zwischen den Zusammenstößen mit anderen Elektronen oder Photonen ist. Daher wird die aus dem elektrischen Feld herrührende zusätzliche kinetische Energie der Elektronen erst nach einer großen Zahl von Zusammenstößen aufgezehrt, wobei die mittlere kinetische Energie der Elektronen über den thermischen Gleichgewichtszustand ansteigt.If there is a difference between TR and Ts with suitable signs and the required size can be achieved, according to the above relationship "Negative" temperature state TF can be achieved, which is the states of the solid spin describes. A homogeneous InSb plate 11 suitable for use as a DC molecular amplifier suitable is shown in FIG. 1 shown. Ohmic contacts 12; 13 without rectifying effect lie at both ends of the plate 11. Contact 12 is with the positive side and Contact 13 connected to the negative side of a suitable direct current source. The direct current source generates a direct electric field in the plate 11. the Electrons entering the plate 11 at the contact 13 are caused by the electrical Field accelerates. The electrons get according to their high mobility a speed greater than its mean thermal speed between collisions with other electrons or photons. Hence the out additional kinetic energy of the electrons resulting from the electric field only consumed after a large number of collisions, the mean being kinetic The energy of the electrons increases above the thermal equilibrium state.

Die Änderung der Temperatur TR, welche die kinetische Energie der Leitungselektronen charakterisiert, ist in F i g. 2 dargestellt. Die Elektronenspins stehen mit der Elektronentemperatur TR auf Grund der Spin-Bahn-Wechselwirkung in Beziehung. Daher steigt die Elektronenspintemperatur Ts auf das Niveau von TR, wenn sich die Elektronen entsprechend der Darstellung in F i g. 2 durch die Platte bewegen. Die Temperaturdifferenz d T zwischen den stationären Werten von TR und Ts kann durch die Spingitterrelaxation der Leitungselektronen für das Gitter und für paramagnetische Verunreinigungen in dem Kristall bestimmt werden.The change in temperature TR, which characterizes the kinetic energy of the conduction electrons, is shown in FIG. 2 shown. The electron spins are related to the electron temperature TR due to the spin-orbit interaction. Therefore, the electron spin temperature Ts rises to the level of TR when the electrons are as shown in FIG. 2 move through the plate. The temperature difference d T between the stationary values of TR and Ts can be determined by the spin lattice relaxation of the conduction electrons for the lattice and for paramagnetic impurities in the crystal.

Die »Negativität« der Temperatur Ts der festen Spins hängt von der Größe der Differenz d T ab. Diese Differenz d T kann auf verschiedene Weise vergrößert werden. Eine Möglichkeit ist in F i g. 3 dargestellt. Eine Platte 14 eines Halbleitermaterials, das dem der Platte 11 entspricht, wie etwa InSb, wird in Keilform mit einer Steigung von etwa 3:1 hergestellt. Ein positiver Ohmscher Kontakt 15 liegt am schmalen Ende und ein negativer Ohmscher Kontakt 16 am breiten Ende. Ein in die Platte 14 an dem Kontakt 16 eintretendes Elektron befindet sich bei seiner Bewegung in Richtung auf Kontakt 15 in einem sich verstärkenden elektrischen Feld. Wie oben ausgeführt wurde, steigt die Elektronentemperatur TR, wenn sich das Elektron in Richtung auf den Kontakt 15 bewegt. Da, wie in F i g. 4 dargestellt, die Spintemperatur Ts langsamer ansteigt als TR, wächst die Temperaturdifferenz d T an. Ein ähnliches Ergebnis kann dadurch erreicht werden, daß die Leitfähigkeit einer Platte von gleicher Form wie Platte 11 verändert wird. Durch Dotierung der Substanz mit Verunreinigungen nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren wird ein Gradient in der Elektronenkonzentration mit einer höheren Elektronendichte an dem Kontakt 13 geschaffen. Ein von dem Kontakt 13 in den Halbleiter eintretendes Elektron befindet sich in einem in seiner Stärke zunehmenden elektrischen Feld, das das Elektron von dem Kontakt 13 an den Kontakt 12 bewegt. Daher steigt die Elektronentemperatur TR in der in F i g. 4 dargestellten Weise an.The "negativity" of the temperature Ts of the fixed spins depends on the size of the difference d T. This difference d T can be increased in various ways. One possibility is shown in FIG. 3 shown. A plate 14 of semiconductor material corresponding to that of plate 11, such as InSb, is made in a wedge shape with a pitch of about 3: 1. A positive ohmic contact 15 is at the narrow end and a negative ohmic contact 16 is at the wide end. An electron entering the plate 14 at the contact 16 is in an intensifying electric field as it moves in the direction of the contact 15. As stated above, the electron temperature TR rises when the electron moves in the direction of the contact 15. Since, as shown in FIG. 4, the spin temperature Ts rises more slowly than TR, the temperature difference d T increases. A similar result can be obtained by changing the conductivity of a plate of the same shape as plate 11. By doping the substance with impurities by a method known to the person skilled in the art, a gradient in the electron concentration with a higher electron density is created at the contact 13. An electron entering the semiconductor from contact 13 is located in an electric field that increases in strength and moves the electron from contact 13 to contact 12. Therefore, the electron temperature TR increases in the FIG. 4 shown way.

Ein Mikrowellenmolekularverstärker unter Verwendung entweder einer parallelen Platte 11 oder einer konischen Platte 14 aus beispielsweise Indiumantimonid ist in F i g. 5 dargestellt. Dabei sind in das Kristallgitter der Halbleiterplatte geeignete paramagnetische Verunreinigungen eingebaut, und die Platte ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben, in dem elektromagnetische Energie vom Mikrowellenbereich erzeugt werden kann. Entsprechend der Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten der Leitungselektronen und denen der gebundenen Elektronen der Verunreinigungen wird, wie oben beschrieben, ein »negativer« Temperaturzustand der Spinsysteme der Verunreinigungen erzeugt. Die Verunreinigungen, beispielsweise Fe3+, Gd3+, Mn2+, Eu2+ oder Crs+ sind in dem Halbleiter Indiumantimonid beispielsweise in Konzentrationen der Größenordnung von 1017/cm3 oder weniger enthalten.A microwave molecular amplifier using either one parallel plate 11 or a conical plate 14 from for example Indium antimonide is shown in FIG. 5 shown. There are in the crystal lattice the Semiconductor plate built in suitable paramagnetic impurities, and the plate is surrounded by a microwave cavity in which electromagnetic energy is transmitted from the Microwave range can be generated. According to the interaction between the magnetic moments of the conduction electrons and those of the bound electrons of the impurities becomes, as described above, a "negative" temperature state the spin systems generated by the impurities. The impurities, for example Fe3 +, Gd3 +, Mn2 +, Eu2 + or Crs + are, for example, indium antimonide in the semiconductor contained in concentrations on the order of 1017 / cm3 or less.

Die Platte 14 mit einer der obenerwähnten Verunreinigungen ist in einem Mikrowellenhohlraum 25 in einem Bereich eines maximalen magnetischen Hochfrequenzfeldes untergebracht, wie etwa am Boden gegenüber dem Anschluß 26 der Wellenleitung. Ein magnetisches Gleichfeld Ho steht senkrecht auf dem magnetischen Hochfrequenzfeld. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, steht das magnetische Gleichfeld senkrecht zur Papierebene. Eine dünne Isolierschicht 27 trennt die Platte 14 von der Wandung des Hohlraumresonators 25 und verhindert in der Platte 14 einen Kurzschluß des elektrischen Gleichfeldes durch die Elektroden 15 und 16.The plate 14 with one of the above-mentioned impurities is in a microwave cavity 25 in an area of a maximum high frequency magnetic field housed, such as on the floor opposite the connector 26 of the waveguide. A DC magnetic field Ho is perpendicular to the high-frequency magnetic field. As in Fig. 5 is shown, the constant magnetic field is perpendicular to Paper plane. A thin insulating layer 27 separates the plate 14 from the wall of the Cavity resonator 25 and prevents in the plate 14 a short circuit of the electrical DC field through electrodes 15 and 16.

Eine andere in den F i g. 6 und 7 dargestellte Ausführung der Erfindung benutzt den Ettinghausen-Effekt zur Erzeugung der erwünschten Temperaturdifferenz d T zwischen der Temperatur TR und TS des Leitungselektrons. Eine Halbleiterplatte 31, beispielsweise aus Indiumantimonid, ist in einem Magnetfeld zwischen zwei Polschuhen angeordnet, von denen in F i g. 6 nur der Nordpol 32 eingezeichnet ist. Eine Ohmsche Elektrode 33 ist mit dem positiven Pol und ein Ohmscher Kontakt 34 mit dem negativen Pol einer geeigneten Gleichspannungsquelle verbunden. Die Stromrichtung steht senkrecht auf dem Magnetfeld. Wenn sich ein Elektron unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes und eines zu diesem elektrischen Feld senkrechten Magnetfeldes bewegt, wird es in einer Richtung beschleunigt, die senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung und zu dem Magnetfeld steht. Diese Querablenkung bewirkt einen Anstieg der Elektronenkonzentration auf der rechten Seite und einen Abfall der Elektronenkonzentration auf der linken Seite der Platte 31 in F i g. 7, wobei sich ein elektrisches Feld senkrecht zu dem von den Elektroden 33 und 34 ausgehenden Feld aufbaut. Als Folge dieses quergerichteten elektrischen Feldes steht die an einem Elektron mit mittlerer thermischer Geschwindigkeit angreifende elektrostatische Kraft mit der Kraft des magnetischen Feldes im Gleichgewicht, und das Elektron bewegt sich ohne Ablenkung von der Elektrode 33 zu der Elektrode 34. Ein Elektron mit einer höheren als der mittleren thermischen Geschwindigkeit, d. h. mit einer höheren Energie, wird jedoch zur linken Seite in F i g. 7 abgelenkt, und ein Elektron mit einer geringeren als der mittleren thermischen Energie, das sich langsamer bewegt, als dem Mittelwert entspricht, wird zur rechten Seite. der F i g. 7 abgelenkt.Another in Figs. 6 and 7 illustrated embodiment of the invention uses the Ettinghausen effect to generate the desired temperature difference d T between the temperature TR and TS of the conduction electron. A semiconductor plate 31, for example made of indium antimonide, is arranged in a magnetic field between two pole pieces, of which in FIG. 6 only the north pole 32 is shown. An ohmic electrode 33 is connected to the positive pole and an ohmic contact 34 to the negative pole of a suitable DC voltage source. The direction of the current is perpendicular to the magnetic field. When an electron moves under the influence of an electric field and a magnetic field perpendicular to this electric field, it is accelerated in a direction which is perpendicular to its direction of movement and to the magnetic field. This lateral deflection causes an increase in the electron concentration on the right side and a decrease in the electron concentration on the left side of the plate 31 in FIG. 7, an electric field building up perpendicular to the field emanating from electrodes 33 and 34. As a result of this transverse electric field, the electrostatic force acting on an electron with a medium thermal velocity is in equilibrium with the force of the magnetic field, and the electron moves from electrode 33 to electrode 34 without deflection. An electron with a higher than that mean thermal velocity, ie with a higher energy, however, becomes the left side in FIG. 7 deflected, and an electron with less than the mean thermal energy, which moves slower than the mean value, becomes to the right side. the F i g. 7 distracted.

Die Halbleiterplatte 31 ist in einem Mikrowellenhohlraum mit einer Wandung 35 in einem Dewar-Vakuumgefäß in einem magnetischen Feld untergebracht, wobei lediglich ein Polschuh 32 eingezeichnet wurde. Die Platte 31 ist von der Wandung 35 durch die Isolierung 37 getrennt. Ein leitendes Blech oder Metallblatt 41 bedeckt die rechte Hälfte der Platte 31 und ist mit der Wandung 35 des Mikrowellenhohlraumes leitend verbunden.The semiconductor plate 31 is in a microwave cavity with a Wall 35 housed in a Dewar vacuum vessel in a magnetic field, only one pole piece 32 was drawn. The plate 31 is from the wall 35 separated by insulation 37. A conductive sheet or metal sheet 41 is covered the right half of the plate 31 and is with the wall 35 of the microwave cavity conductively connected.

Die »heißen« Elektronen mit hoher Energie werden nach der obigen Erörterung in F i g. 7 zur linken Seite abgelenkt. Infolgedessen ist die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur TR der Leitungselektronen und die Spintemperatur TS auf der linken Seite positiv und auf der rechten Seite negativ. Daher wird auf der linken Seite Mikrowellenenergie an den Hohlraum abgegeben. Ein gleicher Betrag an Mikrowellenenergie würde auf der »kalten« rechten Seite aufgenommen werden. Um die Aufnahme zu verhindern, ist diese »kalte« Seite durch den Elektrizitätsleiter 41 überdeckt.The "hot" high energy electrons are, according to the discussion above in Fig. 7 deflected to the left. As a result, the temperature difference between the temperature TR of the conduction electrons and the spin temperature TS positive on the left and negative on the right. Hence, on the left Side transmitted microwave energy to the cavity. An equal amount of microwave energy would be recorded on the "cold" right side. To prevent recording, this "cold" side is covered by the conductor 41 of electricity.

Die Wellenlänge, bei der die Ausführung der F i g. 6 und 7 arbeitet, ist annähernd durch den Ausdruck bestimmt, worin X, die Wellenlänge in Zentimeter, gF der Landefaktor und Ho die Stärke des magnetischen Gleichfeldes in Kilogauß ist. Mit einem g-Faktor von 2 und einer Feldstärke von 10 Kilogauß ergibt sich beispielsweise A, cv 1 cm.The wavelength at which the execution of the FIG. 6 and 7 works is approximated by the expression determines where X is the wavelength in centimeters, gF is the landing factor and Ho is the strength of the constant magnetic field in kilogauss. With a g-factor of 2 and a field strength of 10 kilogauss, for example, A, cv 1 cm results.

Eine weitere Ausführung der Erfindung nutzt den hohen g-Wert der Leitungselektronen direkt aus. Für InSb ist der g-Wert beispielsweise -50. Infolgedessen würde eine umgekehrte Spinbesetzung elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich emittieren. Um die Entstehung der Besetzungsumkehr zu erkennen, betrachtet man eine Platte, beispielsweise aus Indiumantimonid, deren Leitungselektronen sich in einem stationären Magnetfeld Ho befinden. Die Energiezustände solcher Elektronen sind in die sogenannten Zeeman-Niveaus aufgespalten. Diese Aufspaltung ergibt sich aus den auf Grund der Quantemechanik möglichen, unterschiedlichen Orientierungen der magnetischen Dipolmomente dieser Elektronen in bezug auf das äußere Feld. Bei einem Spin 1/z kann das magnetische Moment des Elektrons nur parallel oder antiparallel zum äußeren Feld orientiert sein. Diese zwei Orientierungen unterscheiden sich in ihrer Energie derart, daß die antiparallele Orientierung den Zustand hoher Energie und die parallele Orientierung den Zustand niedriger Energie darstellt. Bei einem Kollektiv von Elektronen ohne gegenseitige Wechselwirkungen werden die zwei möglichen Energiestufen durch die Boltzmannsche Verteilungsfunktion bestimmt, wobei N2 die Zahl der Elektronen in der hohen Energiestufe, Ni die Zahl der Elektronen in der niederen Energiestufe, k die Boltzmannkonstante, T die Elektronentemperatur, gs der Landefaktor, B das Bohrsche Magneton und Ho das äußere Feld bedeutet. Für Leitungselektronen in verschiedenen Substanzen, aber in dem gleichen äußeren Feld Ho ist die Besetzungsdifferenz nur durch den Faktor gs bestimmt. Wenn gs # B - Ho groß gegenüber KT ist, sind nur sehr wenige Elektronen in dem hohen Energiezustand und die meisten von ihnen in dem niederen Energiezustand, d. h. N2 <NI..Another embodiment of the invention makes direct use of the high g value of the conduction electrons. For InSb, for example, the g-value is -50. As a result, a reverse spin population would emit electromagnetic radiation in the infrared range. In order to recognize the formation of the population reversal, consider a plate, for example made of indium antimonide, the conduction electrons of which are in a stationary magnetic field Ho. The energy states of such electrons are split into the so-called Zeeman levels. This split results from the different orientations of the magnetic dipole moments of these electrons with respect to the external field, which are possible due to quantum mechanics. With a spin 1 / z the magnetic moment of the electron can only be oriented parallel or antiparallel to the external field. These two orientations differ in their energy in such a way that the anti-parallel orientation represents the high energy state and the parallel orientation represents the low energy state. In the case of a collective of electrons without mutual interactions, the two possible energy levels are determined by the Boltzmann distribution function where N2 is the number of electrons in the high energy level, Ni the number of electrons in the lower energy level, k the Boltzmann constant, T the electron temperature, gs the landing factor, B the Bohr magneton and Ho the external field. For conduction electrons in different substances, but in the same external field Ho, the population difference is only determined by the factor gs. When gs # B - Ho is large compared to KT, very few electrons are in the high energy state and most of them are in the low energy state, i.e., N2 <NI ..

In F i g. 8 ist der Block 42 einer Halbleitersubstanz mit einem negativen g-Faktor, wie etwa Indiumantimonid, dargestellt. Der Ohmsche Kontakt 43 ist durch einen Kupferdraht 44 mit dem positiven Pol und der Obmsche Kontakt 45 durch einen Kupferdraht 46 mit dem negativen Pol einer geeigneten Spannungsquelle verbunden. Die Vorderfläche 47 und die Rückfläche 51 des Blockes 42 sind optisch glatt und parallel poliert. Die Rückfläche 51 ist mit einer totalreflektierenden dielektrischen Schicht und die Vorderfläche 47 mit einer teilweise reflektierenden dielektrischen Schicht überzogen. Ein Magnet mit dem Nordpol 52 und dem Südpol 53 erzeugt in dem Block 42 ein magnetisches Gleichfeld.In Fig. 8 shows the block 42 of a semiconductor substance with a negative g-factor, such as indium antimonide. The ohmic contact 43 is connected by a copper wire 44 to the positive pole and the Obmian contact 45 by a copper wire 46 to the negative pole of a suitable voltage source. The front surface 47 and the rear surface 51 of the block 42 are optically smooth and polished in parallel. The rear surface 51 is coated with a totally reflective dielectric layer and the front surface 47 with a partially reflective dielectric layer. A magnet with the north pole 52 and the south pole 53 generates a magnetic constant field in the block 42.

Kupfer hat einen g-Faktor von -I-2 und Indiumantimonid einen g-Faktor von -50. Die Hochenergieorientierung des magnetischen Momentes der Elektronen in Kupfer mit dem +g-Faktor ist der Orientierung in Indiumantimonid mit dem -g-Faktor entgegengesetzt.Copper has a g-factor of -I-2 and indium antimonide has a g-factor from -50. The high energy orientation of the magnetic moment of the electrons in Copper with the + g factor is the orientation in indium antimonide with the -g factor opposite.

Wenn die Elektronen aus Kupfer in das Indiumantimonid übertreten, behalten sie eine beträchtliche lange Zeit die Orientierung bei, die sie in Kupfer hatten. N2 ist dann die Zahl der Elektronen mit Hochenergieorientierung in Indiumantimonid, so daß eine Überbesetzung des Hochenergieniveaus beim Indiumantimonid besteht. Die Elektronen mit Hochenergieorientierung werden lawinenartig entspannt, wodurch eine selektive Fluoreszenz ausgelöst wird. Bei Verwendung reinen Indiumantimonids beträgt die emittierte Wellenlänge Mit einer magnetischen Feldstärke von 30 Kilogauß beträgt die emittierte Wellenlänge 130 [,m.When the electrons move from copper to the indium antimonide, they retain the orientation they had in copper for a considerable long time. N2 is then the number of electrons with a high energy orientation in indium antimonide, so that there is an overcrowding of the high energy level in indium antimonide. The electrons with high energy orientation are relaxed like an avalanche, which triggers selective fluorescence. When using pure indium antimonide, the emitted wavelength is With a magnetic field strength of 30 kilogauss, the emitted wavelength is 130 [, m.

Bei einem Zusatz paramagnetischer Verunreinigungen, die mit den angeregten Spins der Leitungselektronen in Wechselwirkung treten, kann der effektive g-Faktor vermindert werden, wodurch die Arbeitswellenlänge bis in den Mikrowellenbereich absinkt. Es ist einleuchtend, daß in dem Mikrowellenbereich die optisch hochglänzenden Reflexionsflächen nicht erforderlich sind und der Block 42 in einem Mikrowellenhohlraum untergebracht werden kann.If paramagnetic impurities are added, which interact with the excited spins of the conduction electrons, the effective g-factor can be reduced, as a result of which the working wavelength drops into the microwave range. It is evident that the optically high-gloss reflective surfaces are not required in the microwave range and the block 42 can be accommodated in a microwave cavity.

Darüber hinaus kann sowohl im optischen als auch im Mikrowellenbereich die Zeitdauer, während der ein Elektron im umgekehrten Zustand verbleibt, durch Eintauchen des Blockes 42 in ein Kühlmittel, wie etwa in flüssiges Helium, gesteigert werden, wodurch sich eine verbesserte Wirksamkeit ergibt.In addition, it can be used both in the optical and in the microwave range the length of time an electron remains in the inverted state Immersion of the block 42 in a coolant such as liquid helium is enhanced resulting in improved effectiveness.

Die erörterten Ausführungen stellen nur Beispiele dar, an denen verschiedene Veränderungen innerhalb des Umfanges der durck die folgenden Ansprüche begrenzten Erfindung vorgenommen werden können.The explanations discussed are only examples of various Changes within the scope of the following claims limited Invention can be made.

Claims

Claims: 1. Electromagnetic coherent radiation source with a doped cuboid semiconductor as a selectively fluorescent medium, that with two opposing, ohmic contacts bearing, parallel end faces is equipped and traversed by direct current, characterized in that a DC magnetic field also acts on the semiconductor.

2. Radiation source according to claim 1, characterized in that the magnetic constant field. perpendicular stands on the electric field.

3. Radiation source according to claims 1 and 2, characterized in that in the microwave range the exclusion device for discharge the electromagnetic energy from the semiconductor body (11, 14, 31, 42) is an electromagnetic Oscillating circuit is.

4. Radiation source according to claim 3, characterized. marked, that the semiconductor body (11, 14, 31, 42) in a microwave cavity resonator (25) is housed and that the radiation of electromagnetic energy from this cavity resonator (26) takes place.

5. Radiation source according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor body (11, 14, 31, 42) is wedge-shaped is and a large one, formed as a cathode and a small one, formed as an anode, one another opposite end face, whereby the electric field in this semiconductor body reinforced towards one end.

6. Radiation source according to one of claims 1 to S, characterized in that the semiconductor body (11, 14, 31, 42) is paramagnetic Contains impurities, the concentration of which is graded towards an end face is, whereby the electric field in this semiconductor body comes to an end reinforced.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that a permanent magnet (32, 52, 53) generates the constant magnetic field. B.

Radiation source according to one of claims 1 to 7, characterized in that the magnetic field both perpendicular to the electric field emanating from the end faces and perpendicular to the two largest surfaces of the disk-shaped medium, whereby the electrons with high energy to the first narrow side surface of the semiconductor body (31) and the electrons with low energy to the second narrow side surface of the semiconductor body (31) are deflected, and that for the electrons with lower Energy via an electrically conductive connection from the second narrow side surface a conductor (41) to the wall (35) of the cavity.

9. Radiation source after one of claims 1 or 3 to 8, characterized in that the magnetic DC field runs parallel to the electric field.

10. Radiation source according to claim 9, characterized in that the emission of electromagnetic energy in the optical area takes place through a partially transparent dielectric mirrored side surface (47) of the semiconductor body (42), the opposite side surface (51) of which is covered with a totally reflective dielectric layer and both of them are perpendicular to the direction of the magnetic field. In. References considered: Journal of Applied Physics, Vol. 34, No. 1, January 1963, pp. 235/236; Physical Review, Vol. 127, No. 5 of September 1, 1962, pp. 1559 to 1563.