DE1227083B - Anordnung zur Erzeugung oder Verstaerkung von elektromagnetischen Signalen im Frequenzgebiet zwischen nachrichtentechnischer Hoechstfrequenz und langwelligem Ultrarot - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03b

H03f
Deutsche Kl.: 21 a4-9/01

Nummer: 1227 083

Aktenzeichen: S 50164IX d/21 a4

Anmeldetag: 30. August 1956

Auslegetag: 20. Oktober 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von elektromagnetischen Signalen im Frequenzgebiet zwischen nachrichtentechnischer Höchstfrequenz und langwelligem Ultrarot unter Verwendung von Einkristallen elektronischer Halbleiter.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß elektronische Halbleiter Plasmaeigenschaften besitzen, welche sonst nur in Gasentladungen beobachtet worden sind und die auf den Prinzipien der Lorentzschen Elektronentheorie basieren. Dies ist bisher nur für metallische Leiter als gültig betrachtet worden.

Der Erfindung zugrunde liegende theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß in elektronischen Halbleitern unter Einwirkung von starken elektrischen Feldern gerichtete Strömungen der beweglichen Ladungsträger realisierbar sind, welche Plasmaeigenschaften besitzen. Es konnte weiter gezeigt werden, daß für die Wechselwirkung dieser Plasmaströmungen mit den akustischen und optischen Gitterschwingungen des Halbleiterkristalls Bedingungen existieren, unter denen Energie aus den Ladungsträgerströmungen auf ein sich mit diesen ausbreitendes elektromagnetisches Signal übertragen wird.

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

Es ist bekannt, daß in Halbleiterbauelementen, insbesondere in Transistoren innere Schwingungen erzeugt werden können; darunter werden solche Schwingungen verstanden, die keinen äußeren Schwingkreis mit Kapazität und Selbstinduktion haben. Zur Erzeugung derartiger Schwingungen werden jedoch an Stelle der äußeren konzentrierten, resonanzfähigen Schaltungsgebilde die inneren Blindelemente eines Transistors, d. h. Kapazitäten und Induktivitäten, ausgenutzt. Bei geeigneter Wahl von äußeren Gleichspannungen am Transistor können daher freie Schwingungen entstehen, d. h., die gesamte Schaltung wirkt als Oszillator.

Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von elektromagnetischen Signalen im Frequenzgebiet zwischen nachrichtentechnischer Höchstfrequenz und langwelligem Ultrarot

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Eberhard Groschwitz, München; Dipl.-Phys. Dr. Karl Siebertz,

Obermenzing bei München;

Dipl.-Phys. Dr. Jürg Johannesson,

Bad Homburg v. d. Höhe

Dabei werden jedoch keine Plasmaeigenschaften der freien Ladungsträger im Transistor ausgenutzt, d. h. mit anderen Worten, die Verschiebung des elekirischen Gleichgewichts im Transistor ist gegenüber den thermodynamischen Verhältnissen so gering, daß immer noch die thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen gelten.
Die erzeugten Schwingungen reichen daher lediglieh bis zu 50 cm Wellenlänge.

Es ist weiterhin bekannt, daß Halbleiterdioden mit Spitzenkontakten negative Bereiche in ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik besitzen können. Dabei handelt es sich um spezielle Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials und der durch den Spitzenkontakt gegebenen Geometrie des gleichrichtenden Kontaktes. Die durch die spezielle Geometrie im Kontaktgebiet erzwungene elektrische Feldverteilung führt in bestimmten Bereichen der äußeren angelegten Spannung zu durchbruchsartigen Erscheinungen, welche wahrscheinlich thermischer Natur sind. In diesen Bereichen kommt es daher zum teilweisen Zusammenbrechen der an der Diode stehenden Spannung, so daß mit zunehmendem Strom die Spannung kleiner wird. Der negative Kennlinienbereich stellt einen negativen dynamischen Widerstand dar, durch den Schwingkreise entdämpft, d. h. zu freien Schwingungen angeregt werden können. Dabei handelt es sich jedoch um Schwingungen, welche maximal bis ins Megahertzgebiet reichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben,

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welche unter Ausnutzung von Plasmaeffekten der frequenz) als Funktion der im Index aufgeführten

freien Ladungsträger in Einkristallen elektronischer Störstellendichte n₀ der Donatoren und p₀ der Ak-

Halbleiter zur Erzeugung oder Verstärkung von Si- zeptoren; y_n und y_v bedeuten eine für die Elektro-

gnalen im Frequenzgebiet zwischen nachrichtentech- nen η und die Defektelektronen ρ charakteristische

nischer Höchstfrequenz und langwelligem Ultrarot s Reibungskonstante,
geeignet ist.

Dieses Frequenzgebiet war bisher durch die kon- Insbesondere ist in an sich bekannter Weise:

ventionelle Höchstfrequenzröhrentechnik von unten γ _e*

her und durch optische Vorrichtungen von oben her £?„² = —

technisch nicht ausnutzbar. io ^ + ^X₀ ^m«

Gerade dieses Frequenzgebiet bietet jedoch für die ^UQd

Nachrichtentechnik, z. B. zur Übertragung breiter na _ L ^eij

Frequenzbänder in runden Hohlleitern, und für "° 1 + L%_a m„'
Radargeräte mit extrem hoher Auflösung, sowie in

der Physik zur Untersuchung von Plasmen, in der 15 I_n diesen Formeln bedeutet e -die Elementarladung

Spektroskopie und zur Erforschung der Resonanz- _und _mji b_zw. _m? die effektive Masse der negativen

Phänomene in Festkörpern, besondere Vorteile. bzw. positiven Ladungsträger. L ist ein Depolarisa-

Vor allem besteht in der Nachrichtentechnik eine tionsfaktor, der die Rolle einer Kopplungskonstante Tendenz, die Betriebsfrequenzen immer größer zu h_{at un}d beispielsweise durch die erwähnte Arbeit von machen, da z. B. die Verluste von Leitungen mit zu- 20 Dresselhaus u. a. an sich bekannt ist; er läßt sich nehmender Frequenz .geringer werden, der Wirkungs- durch Messungen, z. B. der Leitfähigkeit, bei der gegrad bei der Modulation, insbesondere bei der wenig wünschten Frequenz oder auch aus optischen Größen störanfälligen Frequenzmodulation besser wird und bestimmen; er ist allgemein von der Art und Gestalt da die diesen Frequenzen entsprechenden kurzen der Halbleitersubstanz abhängig. χ₀ bedeutet die Wellen sehr viel besser drahtlos übertragen werden 25 dielektrische Suszeptibilität des Gitters, die nähekönnen, rungsweise im Einklang mit der Erfahrung als fre-

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art quenzunabhängig betrachtet werden kann. Die von

ist zur Lösung der in Rede stehenden Aufgabe gemäß Pines und Böhm angegebenen Kriterien für

der Erfindung vorgesehen, daß im Halbleiter Plasma- Plasmaoszillationen eines Elektronengases sind bei

strömungen der beweglichen Elektronen und Defekt- 30 den vorstehenden Bedingungen mit vorausgesetzt,

elektronen mit unterschiedlichen, feldabhängigen Be- Durch die im vorstehenden umrissene Konzeption

weglichkeiten durch ein konstantes oder veränder- (aus Elektronentheorie in Verbindung mit speziellen

liches elektrisches oder thermisches Ziehfeld hoher Bewegungsgleichungen sich ergebende Regel) ist die

Feldstärke erzeugt sind, das eine gegen die Tempe- allgemeine Grundlage dafür gegeben, daß überhaupt

ratur des Kristallgitters erhöhte Plasmatemperatur 35 Plasmaschwingungen im Halbleiter erzeugt, aufrecht-

der beweglichen Ladungsträger ergibt, daß ein Halb- erhalten und ausgenutzt werden können. Dabei be-

leitermaterial mit extrem hoher Ladungsträgerbeweg- zieht sich der Schwingungszustand auf die sechs

lichkeit, wie beispielsweise A^m-B^v, ΑΠ-Β^ oder Plasmazustandsgrößen, nämlich das elektrische

Ai-ßVn-Verbindungen, Verwendung findet und daß FeIdE, das magnetische FeIdH, die Dichten der

zur Ein- und Auskopplung der Signale an sich be- 40 Elektronen, die Dichte ρ der Defektelektronen, die

kannte Mittel vorgesehen sind. Driftgeschwindigkeit v_n 'der Elektronen und die Drift-

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung überlagert geschwindigkeit v_p der Defektelektronen. Je nach den

sich infolge der hohen elektrischen oder thermischen gegebenen Verhältnissen können entweder alle sechs

Feldstärken der thermischen Wimmelbewegung der Plasmazustandsgrößen mit der gleichen Frequenz

beweglichen Ladungsträger ehe Driftbewegung, wo- 45 oszillieren, oder es können auch einige der Zusatz-

bei die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger in die großen überhaupt nicht oszillieren, beispielsweise

Größenordnung der thermischen Geschwindigkeit konstant bleiben oder eine aperiodische Veränderung

fällt, so daß also im Halbleiter gerichtete Ladungs- ausführen, oder sie können sich in einem Schwin-

trägerströmungen vorhanden sind. Bei den hohen Be- gungszustand mit anderer Frequenz befinden. Beson-

weglichkeiten der verwendeten Halbleitermaterialien 50 ders wichtig ist der Fall, daß .die Driftbewegung der

tritt daher eine Wechselwirkung der bewegten La- Ladungsträger eine gleichbleibende Richtung besitzt

dungsträger mit den akustischen und/oder optischen (Fall des strömenden Plasmas), wobei sich dieser Be-

Gitterschwingungen auf, so daß eine energetische wegung unter anderem Aperiodizität, z. B. eine

Kopplung zwischen den Plasmaschwingungen und Dämpfung und/oder eine Oszillation überlagern

den auf diese aufgeprägten und auf diesen sich aus- 55 kann,

breitenden elektromagnetischen Signalen stattfindet. In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich von Anordnungen zur Verwirklichung und Ausaus den nachfolgenden Ausführungen und der Be- nutzung .der Plasmaschwingungen eines Halbleiterschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der körpers gemäß der Erfindung beispielsweise darge-F i-g, 1 bis 5. 60 stellt.

Für die Eigenschwingungen des Ladungsträger- F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkristall 1 — worunter

plasmas läßt sich folgende Bedingung angeben: im folgenden immer ein Halbleitereinkristall verstanden werden soll — aus einem Halbleitermaterial

—- CQ² 4- Ω ²") — 2 Cv²- 4- ν² — ν ν} ^> 0 hoher Trägerbeweglichkeit, insbesondere einer Ver-

3 π_οτ p.j ₃ v„-r y„ y„y_p) ^ . ^ bindung von Elementen der ΙΠ. und V. Gruppe des

Periodischen Systems. Durch sperrfreie Kontakte 2

Hierbei bedeutet Ω die Eigenfrequenz der freien und 3 ist an die Enden des Kristalle eine Gleichspangedämpften Schwingungen (Langmuirsche Plasma- nung gelegt, die durch ein Plus-und ein Minuszeichen

angedeutet wird. Mittels zweier isoliert vom Halbleiterkristall angeordneter Kondensatorplatten 4 und 5 sind zwei elektrische Schwingungskreise 6 und 7 mit zwei verschiedenen Oberflächenteilen 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 Halbleiterkristalls in der Nähe der Kondensatorplatte 4 zu Eigenschwingungen veranlaßt wird. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Impulslänge so gering ist, daß das durch Fourieranalyse 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 vor der Frequenz der Plasmaeigenschwingung abgegriffen werden kann.

In F i g. 2 ist das bisherige Ausführungsbeispiel in der Weise modifiziert, daß die Schwingungserregung durch eine Elektronenströmung von hinreichend hoher, d. h. in die Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit fallende Geschwindigkeit 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 F i g. 1 und 2 ist als ein allgemeiner Modellfall aufzufassen, wie die Anordnung 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.

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

Die Anordnung kann beispielsweise als Resonanzverstärker 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 anderen Fällen braucht am Eingang überhaupt kein abgestimmter oder wenigstens kein scharf abgestimmter Kreis vorhanden zu sein. Bei der Oszillatorschaltung wird zweckmäßigerweise mit ständigem Driftfeld gearbeitet, welchem gleichzeitig die Energie zur Aufrechterhaltung der Schwingungen entnommen wird. Andererseits besteht sogar die Möglichkeit, durch Variation des Feldes an den Elektroden 2 und 3 oder der sonstigen — z. B. thermischen — Drifterzeugung eine Steuerung der Plasmaschwingungen — gegebenenfalls eine Modulation — zu bewirken.

Ferner ist zu beachten, daß in dem geschilderten Ausführungsbeispiel der Transport eines Schwingungszustandes von einer Stelle des Halbleiters an eine andere Stelle vor sich geht, wobei die Transportgeschwindigkeit von der Driftwirkung abhängt,

ίο wie sie — gemäß dem Ausführungsbeispiel — durch das elektrische Gleichfeld bewirkt wird. Die Driftwirkung kann jedoch auch ihrerseits als Oszillation — insbesondere auf Grund eines elektrischen und/ oder thermischen Wechselfeldes — ausgebildet sein, wobei unter Umständen eine pulsierende Driftbewegung entsteht, die bisweilen, insbesondere rhythmisch, die Anregungsenergie übersteigt und dadurch die Schwingungserzeugung aufrechterhält. 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 des Kreises lassen sich daher noch besondere Wirkungen erzielen. Insbesondere läßt sich der HaIbleiterkristall als ein verstärkendes Verzögerungs- bzw. Laufzeitglied im Zusammenhang mit Schwingungsenergien verwenden. Es ist insbesondere möglich, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, welche im Aufbau und in ihrer Wirkungsweise in Analogie zu einer Wanderfeldröhre steht. Es wird sogar eine wesentliche Bedeutung der Erfindung darin erblickt, daß die bei Wanderfeldröhren entwickelten Gesichtspunkte mit Hilfe der durch die Erfindung gegebenen Leitgedanken und der im Beispiel beschriebenen An-Ordnung auf Halbleiterbauelemente übertragen werden können. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die Plasmaeigenschwingungen der Halbleiter mit hoher Trägerbeweglichkeit bei den in der Halbleitertechnik gebräuchlichen Abmessungen und Oberflächeneigenschaften der Halbleiterkristalle in der Größenordnung des Zentimetergebietes liegen, so daß auch für dieses und die benachbarten Frequenzbereiche ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Anordnung nach der Erfindung gegeben ist. Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erweisen sich auch deshalb als besonders vielgestaltig, weil die ursprüngliche Erzeugung der Plasmaeigenschwingungen entweder durch eine ursprüngliche kurzzeitige Erregung oder durch die Driftwirkung eines elektrisehen Feldes oder eines thermischen Feldes auf die Ladungsträger allein bewirkt werden kann oder beide Wirkungen miteinander mindestens zeitweilig kombiniert werden können.

Eine weitere Variationsmöglichkeit sei an Hand der F i g. 3 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Einleitung einer Schwingungserregung auf den Halbleiterkristall 1 ein den Halbleiterkörper 1 umschließendes Hohlrohr 8 vorgesehen, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß die Plasmaeigenfrequenz, welche im Impuls vorhanden ist, zumindest nicht abgeschwächt wird. 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, weitergeführt. Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungs-

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gedankens ist auf der Oberfläche des Halbleiterkri- Ausgangsschwingungszustände können auch durch

stalls eine als Emitter wirkende Elektrode 10 ange- geeignete Wahl der sonstigen Randbedingungen

ordnet, mittels welcher Ladungsträger in den Halb- oder auch durch zeitweilige Veränderungen der

leiterkristall injiziert werden können. Durch diese Randbedingungen, beispielsweise Trägerinjektionen

Injektion wird die Plasmaeigenfrequenz geändert. 5 oder Oberflächenveränderungen, erzeugt werden. An

Je nach Art der Injektion (positive und/oder negative Stelle oder neben einer Ausgangsfrequenz lassen sich

Ladungsträger) kann die Frequenz vergrößert oder auch ein oder mehrere elektrische bzw. elektroma-

verkleinert werden. Die Änderung kann dauernd, gnetische Abklingzustände gewünschten Dekrements

einmalig, mehrmalig oder periodisch erfolgen, woraus bzw. gewünschter Dekremente erzeugen, welche zur

sich Steuerungen der erzeugten und/oder übertragen- io Steuerung von Zeitgliedern oder anderen Nachrich-

den Plasmaschwingungen beliebiger Art, insbeson- tenvorgängen benötigt werden. Allgemein kann man

dere Modulationen (Frequenzmodulation, Dämp- sagen, daß neben Oszillationen auch aperiodische

fungen, Wobbelungen u. dgl.) durchführen lassen. Es Prozesse der Plasmagrößen erfaßt werden können, können unter Umständen mehrere Emitter an ver- Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungs-

schiedenen Stellen der Halbleiteroberfläche oder auch 15 gedankens lassen sich im Halbleiterkristall, vorzugs-

in dessen Inneren in geeigneten, gegebenenfalls ver- weise im Falle der Oszillatorschaltung oder für Reso-

änderbaren Abständen vorgesehen sein. Unter Um- nanzverstärkerzwecke durch geeignete Reflexionen

ständen können der Emitteranordnung auch noch stehende Schwingungen erzeugen. Diese stehenden

ein oder mehrere Kollektoren auf dem Kristall züge- Schwingungen können die Frequenzen bzw. Frequen-

ordnet sein. Als Emitter kommt in erster Linie eine 20 zen der Plasmaschwingungen selbst haben, es kann

Spitzenelektrode oder ein pn-übergang in Frage. sich jedoch auch um Reflexionen der durch die

Die Ausführungsbeispiele können auch in der Driftwirkung im Halbleiterkristall transportierten Weise abgewandelt sein, daß die sperrfreien Kon- Schwingungszustände an den Enden des Halbleitertakte 2 und 3 durch isolierende oder mindestens nur kristalle handeln. In diesem Falle werden die Plasmain einer Richtung durchlässige Elektroden ersetzt 25 eigenschwingungen sozusagen als Wellenpakete mitsind, so daß der Halbleiterkristall nur einer reinen tels einer durch die Driftwirkung bedingten weit statischen elektrischen Feldwirkung ausgesetzt ist. niedrigeren Frequenz im Halbleiterkristall hin und Ferner können an Stelle einer Kapazitätskopplung her reflektiert. Die Reflexionen können direkt an den je nach dem Frequenzbereich für den Eingang und/ Oberflächen des Kristalls oder an mit diesen gekop- oder Ausgang andere, beispielsweise induktive Kopp- 30 pelten Resonanzkreisen stattfinden. An die Stelle der lungen oder Kopplungen über gleichrichtende EIe- Oberflächen können auch in den Kristall eingelagerte mente, insbesondere p-n-Übergänge vorgesehen sein. Sperrschichten oder Übergänge zwischen Zonen Zum Beispiel kann der Halbleiterkristall als Hohl- unterschiedlicher Dotierung oder sonstige Strukturkörper ausgebildet sein, wobei die elektromagnet!- änderungen, vorzugsweise Sprünge, treten,
sehen Signale im Hohlkörper verlaufen. Der Halb- 35 Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsleiterkristall kann auch in ihn umfassenden metalli- gedankens ist der Halbleiterkristall auf diese Weise sehen Begrenzungen stecken, über die ein Signal auf in mehreren Zonen unterschiedlicher Dotierung, insdie Plasmaströmungen übertragen wird. besondere unterschiedlichen Leitungstypus und/oder

F i g. 4 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel in unterschiedlicher Ladungsträgerdichte, beispielsweise schematischer Darstellung. Dem Halbleiterkristall 1, 4° in p-, n-, i-, schwächer oder niedriger dotierte Zonen in welchem durch irgendwelche Mittel eine Drift- unterteilt. Die Zonen können auch aus verschiedewirkung auf die Majoritätsträger in Richtung des nen Halbleitern, insbesondere Legierungen, mit verPfeiles χ auf die Minoritätsträger gegebenenfalls in schiedener Bandbreite und/oder Trägerbeweglichkeit entgegengesetzter Richtung erzeugt wird, sind zwei bestehen. Sie können stetig ineinander übergehen getrennte Hohlleiter 11 und 12 zugeordnet, mittels 45 oder in sprunghaften Übergängen aneinanderstoßen, deren zwei Erregungen mit verschiedener Frequenz Wird die in einer der Zonen erzeugte Schwingung bzw. verschiedenem Frequenzmaximum Z₁ und /₂ in mittels der Driftwirkung ganz oder teilweise in eine den Halbleiterkristall eingeleitet werden können. Die oder mehrere andere Zonen transportiert, so entbeiden Frequenzen Z₁ und /₂ sind so gewählt, daß stehen in den anschließenden Zonen verschiedener ihre Summe und/oder Differenz auf die Plasmaeigen- 5° Dotierung bei geeigneter Bemessung des gegenseifrequenz bzw. verschiedene Plasmaeigenfrequenzen tigen Verhältnisses der in diesen Zonen resultierenabgestimmt sind. Die durch den erregten Plasmazu- den Plasmaeigenschwingungen verschiedene Schwinstand resultierende Frequenz / läßt sich dann mit gungzustände. Sofern die Randbedingungen derart oder ohne Rückkopplung an einer oder mehreren gewählt sind, daß die Plasmaeigenschwingungen in weiteren Stellen des Halbleiterkristalls wieder aus- 55 den verschiedenen Zonen in rationalem, vorzugsweise koppeln. Unter Umständen können auch mehrere ganzzahligem Verhältnis zueinander stehen, ist die Ausgangsfrequenzen an verschiedenen Stellen des Anordnung als Frequenzteiler bzw. Frequenzverviel-Halbleiterkristalls (an weiteren in F i g. 4 nicht dar- fächer zu benutzen. Die einzelnen Schwingungsgestellten metallischen Umfassungen) oder nachein- zustände bzw. Frequenzen können durch geeigander an derselben Stelle — durch die Driftwirkung 60 nete Gestaltgebung des Halbleiters oder dessen verzögert — entnommen werden. Oberfläche beeinflußt und weitergeleitet bzw. abge-

Sind z. B. Elektronen und Defektelektronen in ver- nommen werden. Insbesondere kann der Halbleiterschiedener Konzentration vergleichbarer Größenord- kristall an verschiedenen Stellen bzw. in den vernung anwesend, so schwingen die beiden Ladungs- schiedenen Zonen stetig oder gestuft verschiedene trägerkollektive in verschiedenen Frequenzen, die 65 Querschnitte aufweisen und/oder gekrümmt, beientweder getrennt oder gemeinsam als Koppelschwin- spielsweise kreisförmig, ausgebildet sein. Bei kreuzgung oder wahlweise nacheinander bzw. abwechselnd förmiger oder weichenförmiger Ausbildung des Halbentnommen werden können. Derartige verschiedene 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 ent- weder als freie und/oder als erzwungene Schwingungen — oder abwechselnd — 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- und/ oder Schalteigenschaften der Halbleitervorrichtung. Diese Halbleitervorrichtung kann auch in Verbindung mit einer Mehrfachbasis als Fadenbauelement (Fadendiode, Fadentransistor, auch Mehrfachhohlrohranordnung) ausgebildet sein.

In F i g. 5 ist als Beispiel ein p-n-p-Transistor mit der Basis 14, dem Emitter 15 und dem Kollektor 16 schematisch dargestellt. An die Enden 17 und 18 der ao Basis ist mittels sperrfreier Kontakte eine elektrische Gleichspannung gelegt, mittels deren eine am Hohlrohr 19 eingeleitete Erregung in das Gebiet zwischen Emitter und Kollektor transportiert wird. Durch die bei 19 eingeführten Signale wird der Kipp- und/oder Verstärkermechanismus 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.

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 Ein- und Auskopplung der Schwingungszustände bzw. zur Steuerung derselben durch bekannte optische Mittel zu ersetzen.

Als Halbleiter kommen vor allem solche mit extrem hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten in Frage, wie vor allem durch A^m-B^v-, A^-B^- und A^B™-Verbindungen sowie deren Mehrfachverbindungen und auch im Flußspat- oder Antiflußspatgitter kristallisierende Halbleiter.

Zur Ausnutzung der magnetischen Effekte des schwingenden Plasmas in Halbleitern, beispielsweise zur Steuerung des Hall-Efiektes 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 in die Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit fallen muß. Dabei ist die mittlere thermische Geschwindigkeit bei Zimmertemperatur in der Größenordnung von 5 · 10⁶ cm · see"¹. Durch Anwendung geeigneter Temperaturen läßt sich die Realisierung der Schwingungen in gewünschten Bereichen erleichtern. Die Vorgänge sind sowohl in 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 10~¹² Sekunden liegt. Bei der Verwendung eines Frequenzgemisches kann man beispielsweise zwei Energiespektren miteinander kombinieren, dessen eines eine Länge von 10~¹² Sekunden und das andere eine Länge von 10~⁶ Sekunden besitzt.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von elektromagnetischen Signalen im Frequenzgebiet zwischen nachrichtentechnischer Höchstfrequenz und langwelligem Ultrarot unter Verwendung von Einkristallen elektronischer Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiter Plasmaströmungen der beweglichen Elektronen und Defektelektronen mit unterschiedlichen, feldabhängigen Beweglichkeiten durch ein konstantes oder veränderliches elektrisches oder thermisches Ziehfeld hoher Feldstärke erzeugt sind, das eine gegen die Temperatur des Kristallgitters erhöhte Plasmatemperatur der beweglichen Ladungsträger ergibt, daß ein Halbleitermaterial mit extrem hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, wie beispielsweise Aⁿⁱ-B^v-, Aⁿ-B^VI- oder A'f-Bvn-Verbindungen, Verwendung findet und daß zur Ein- oder Auskopplung der Signale an sich bekannte Mittel vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial mehrfach Verbindungen von A^m-B^v-, A«-B^VI- oder Ai-B^VII-Verbindungen oder Verbindungen von A^-BV-, A"-Bvi- oder Ai-ßvii-Verbindungen mit Elementen der IV. Gruppe des Periodischen Systems Verwendung finden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Mittel zur Erzeugung mindestens eines Magnetfeldes im Halbleiterkristall vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und/oder Auskoppelmittel als Mikrowellenleiter (Hohlleiter) ausgebildet sind, welche den Halbleiterkristall umschließen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ein- und/oder Auskopplung der Signale über mindestens in einer Richtung sperrende Elektroden, beispielsweise pn-Ubergänge, mit dem Halbleiterkristall verbunden sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Auskoppelungsmittel zur Erfassung verschiedener Schwingfrequenzen und/oder aperiodischer Zustände der Plasmazustandsgrößen vorgesehen sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je ein Ein- und Ausgangskreis rückgekoppelt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Ausbildung der Plasmaströmungen im Halbleiterkristall aufgebaute elektrische Ziehfeld Impulsform besitzt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Ziehfeld im Halbleiterkristall zeitweilig oder dauernd ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das thermische Ziehfeld erzeugte Temperaturgradient und/oder ein Dichtegradient der Trägerkonzen-

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iration auf die Plasmaeigenfrequeriz einerseits und den Abstand von Ein- und Auskqpplungsort andererseits abgestimmt ist.

11. Anordnung nach einern der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Halbleiterkristail Elektroden zur Erzeugung eines zusätzlichen ' elektrischen Feldes angeordnet sind, cieVsen Feldstärke SQ groß ist, daß eine Trägervervielfachung im Halblejterkristall auftritt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis' 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hälbleitereinkristalloberfläche zur Injektion von Ladungsträgern und dadurch bedingten Modulationen, der Piasinaschwingungen eine Emitterelektrod.e angeordnet ist.

13. Anordnung naclj Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer Emitterelektrode eine Koliektprelektrqde zugeordnet ist.

14'. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitereinkrjstall iri einer Richtupg, vorzugsweise in Richtung der Ladungsträgerdriftbewegpng und/oder zwischen Ein- und Auskopplungsort bezüglich seiner geometrischen Gestalt "(Querschnitt), seiner Oberflächenbeschaffenheit, seiner Dotierung und/oder des Halblejtermateriais stetig .oder sprunghaft inhomogen ist-

15. "Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Haibl.eitereinkristall in mehrere Zonen unterschiedlicher Dotierung, insbesondere unterschiedlichen Leitungsty,ps und/ oder unterschiedlicher Ladungsträgerdichte, beispielsweise mit wechselnder p-, n- und i-Dotierurig, unterteilt ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Zonen, daß innerhalb des Kristalls Reflexionen und stehende Wellen der Plasmasckwingun-I?

gen pnd./qd.er der durch dje Driftwirkung er?eug_r ten Ladyngsträgertranspprte, an* <3gn Zpnenuker-; gangen und/pder Kristallenden entstehen.

17. Anprdnung nach Anspruch 14, 15" oder. 16, gekennzeichnet durch eine derartige ΒρπιεεΒμΓ^ der Inhomogenitätszonen, da.ß die Plasmaeigenschwingungen in den verschiedenen Zonen im. rationalen, vorzugsweise ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, sp daß sich eine Frequenz;· teilung bzw. Frequenzvervielfachung ergibt.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine von der Zylinderforrn abweichende Gestalt, beispielsweise Kreuzfprm oder JjVeichenform, aufweist und, gegebenenfalls mindestens teilweise gekrümmt ausgebildet ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Hohlrohrforrn besitzt und ganz oder teilweise' Teil piner aus anderem Material, vorzugsweise Metall, bestehenden Hohlrohrleitung mit oder ohne Kpasjaileiter jst.

20. Anprdnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Halbleiterkörperß, in welchem Plasmaschwingungen erzeugt sind, die aktive Zpne einer an sich bekannten Halbleitervorrichtung, beispielsweise die Basis pnd/oder den Emitter bzw. den kollektor eines Transistors bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsch? Patentschrift Nr. 1003 287;

französische Patentschrift Nr. 1Q19 619 mit Zusatzpatentschrift Nr. 65 023;

britische Patentschriften Nr. 420.447, 643 2OQ,
644165;

USA.-Patentschrift Nr. 2 236 016.

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