FR2479586A1 - Generateur d'ondes electromagnetiques dans l'infrarouge lointain - Google Patents

Abstract

A.GENERATEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES DANS L'INFRAROUGE LOINTAIN. B.GENERATEUR CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN SEMI-CONDUCTEUR 3 CONTENANT AU MOINS UNE IMPURETE, CETTE IMPURETE PRESENTANT UNE DIFFERENCE D'ENERGIE VOISINE DE CELLE DU QUANTUM D'ENERGIE D'UN PHONON OPTIQUE, ENTRE LES NIVEAUX D'ENERGIE DE L'ETAT EXCITE DE CETTE IMPURETE; UN RESONATEUR 1, 2 PERMETTANT D'OBTENIR UNE REACTION POSITIVE DE L'ONDE ELECTROMAGNETIQUE CORRESPONDANT A CE QUANTUM D'ENERGIE; ET DES MOYENS 4, 5, 6 PERMETTANT D'APPLIQUER UN COURANT ELECTRIQUE AUX BORNES DE CE SEMI-CONDUCTEUR 3. C.L'INVENTION S'APPLIQUE AUX GENERATEURS DE RAYONNEMENT INFRAROUGE COHERENT.

Description

1.- L'invention concerne un générateur d'ondes

électromagnétiques dans l'infrarouge lointain.

Pour cela l'invention utilise un semi-

conducteur produisant une onde électromagnétique et plus préci-

sément un semi-conducteur à phonons produisant une onde électro-

magnétique dans le domaine des infrarouges lointains.

Les auteurs de la présente invention ont déjà proposé un générateur d'ondes électromagnétique permettant

d'obtenir des ondes électromagnétiques cohérentes dont la lon-

gueur d'onde se situe entre le millimètre- et la zone des infra-

rouges lointains (longueur d'onde allant de 10OWà 1 mm), en utilisant les vibrations de réseau, ctest-à-dire les phonons,

d'un semi-conducteur.

On a mis en oeuvre jusqu'ici un procédé consistant à produire des ondes électromagnétiques en exposant

un semi-conducteur à un faisceau de lumière incidente de fré-

quence fi r' pour produire dans ce semi-conducteur l'excitation de vibrations de réseau wv0, et une diffusion Raman V s = w 0 + Uir. Cette diffusion Raman produit à son tour un rayonnement lumineux *is. Ainsi une vibration cohérente de réseau W r est excitée par les oscillations dues à ce rayonnement lumineux,

pour produire une onde électromagnétique cohérente simultanée.

On peut augmenter la vitesse de déplacement des électrons (ou des trous) vd en appliquant soit une haute tension continue soit une microonde aux bornes du semi-conducteur, jusqu'à ce que celui-ci atteigne la condition dans laquelle les phonons optiques (de quantum d'énergie -i wvi), c'est-àdire 2mv_ mvd -tr %Oâ, sont excités. On obtient dans ces conditions une forte production de phonons très nombreux. Cependant la longueur d'onde des phonons produits par les collisions entre les électrons libres et les mailles du réseau, est plus courte que celle de l'onde lumineuse, de sorte qu'il n'est pas facile

d'obtenir une correspondance de phase entre les deux.

De-plus la plupart des phonons sont des phonons LO qui ne peuvent réagir avec les rayons lumineux. Au contraire, dans le cas d'une collision des électrons libres avec des impuretés, le problème difficile à résoudre de la correspondance de phase ne se pose plus, de sorte qu'on évite ainsi l'inconvénient d'une longueur d'onde des phonons inférieure à celle de l'onde lumineuse. De plus les phonons produits ne se

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limitent pas aux phonons de type LO.

Compte tenu des éléments ci-dessus, l'inven-

tion a pour principal but de créer un générateur perfectionné

d'ondes électromagnétiques dans l'infrarouge lointain, ce géné-

rateur étant constitué par un semi-conducteur présentant un

rendement plus élevé que les semi-conducteurs classiques.

L'invention a également pour but de créer un dispositif permettant de produire des ondes électromagnétiques dans l'infrarouge lointain en appliquant un courant électrique aux bornes d'un semi-conducteur, ce dispositif évitant le besoin

d'utiliser une source de lumière irradiant le semi-conducteur.

L'invention a encore pour but de créer une structure de semi-conducteur permettant de produire efficacement

des phonons.

L'invention a enfin pour but de créer une

structure de résonateur permettant de produire des ondes électro-

magnétiques de longueurs d'ondes variables.

A cet effet l'invention concerne un généra-

teur d'ondes électromagnétiques dans l'infrarouge lointain, générateur caractérisé en ce qu'il comprend un semi-conducteur contenant au moins une impureté, cette impureté présentant une différence d'énergie voisine de celle du quantum d'énergie d'un phonon optique, entre les niveaux d'énergie de l'état excité de cette impureté; un résonateur permettant d'obtenir une réaction positive de l'onde électromagnétique correspondant à ce quantum d'énergie; et des moyens permettant d'appliquer un courant

électrique aux bornes de ce semi-conducteur.

L'invention sera mieux comprise à la

lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère

aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme des niveaux d'énergie d'un cristal de Phosphure de Gallium (GaP) contenant

du Tellure (Te) comme impureté de donneur, ce diagramme repré-

sentant l'état fondamental et les niveaux excités de l'impureté, - la figure 2 représente la relation de distribution entre la fréquence tJ r et le nombre d'onde K des phonons de type transversal produits dans le cristal de GaP, lorsque le nombre d'onde K est petit, - la figure 3 représente le schéma de

principe d'un générateur d'ondes électromagnétiques dans l'infra-

rouge lointain, comprenant un résonateur, un cristal de semi-

conducteur et une source de courant continu, - la figure 4A représente un schéma de principe analogue à celui de la figure 3, sauf le fait que le cristal semi-conducteur est remplacé par un semi-conducteur à jonction pi-n, - la figure 4B est un diagramme des niveaux d'énergie du semiconducteur de la figure -A lorsqu'on applique une tension de polarisation au dispositif de la figure 4A, - la figure 5 représente le schéma de

principe d'un générateur d'ondes électromagnétiques dans l'infra-

rouge lointain, dans lequel l'un des réflecteurs du résonateur comporte un réseau de diffraction'permettant de faire varier la longueur d'onde de l'onde électromagnétique produite, - la figure 6A est un diagramme des niveaux d'énergie d'un semi-conducteur, en l'absence de tension appliquée, ce semi-conducteur comportant une jonction p-n et contenant une impureté de donneurs ionisée dans la zone de type p, et - la figure 6B est un diagramme des niveaux d'énergie correspondant à celui de la figure 6A, mais lorsqu'on

applique une tension aux bornes du semi-conducteur.

La figure 1 représente les niveaux d'énergie d'un donneur, aussi bien dans l'état fondamental que dans les états excités, lorsque le semi- conducteur est un cristal de GaP.

Bien que la description qui suit concerne

le cas o l'impureté est du Te, la même description peut prati-

quement s'appliquer de la même façon aux cas o. l'impureté est du Se ou du S. Le niveau fondamental du Te dans un cristal de GaP se situe à environ 90 meV en partant du bas de la bande de conduction. Par suite la plupart des électrons dans un cristal

de type GaP se trouvent dans l'état fondamental lorsque ce cris-

tal est refroidi à une température d'environ 800 K ou plus bas.

Dans ces conditions un champ électrique intense est appliqué

aux bornes du semi-conducteur.

On trouve dans ce cas, dans le semi-conduc-

teur, des porteurs libres pouvant être produits par n'importe quel procédé tel qu'une irradiation du semi-conducteur par des rayons lumineux, ou en maintenant sa température à 800 K ou plus

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haut, à 150 K par exemple, pour produire des porteurs libres.

Les porteurs libres ainsi produits sont entraînés et accélérés à grande vitesse par le champ électrique élevé appliqué, de manière à donner des collisions avec l'impureté de Te. Ces collisions excitent à leur tour les électrons de l'impureté à des niveaux d'énergie supérieurs. Ainsi les électrons sont

excités à des niveaux de transitions ou dans une bande de con-

duction telle que celle indiquée sur la figure 1. Même dans le cas de cette excitation par collisions, une règle de sélection

s'applique.

Si l'on se réfère par exemple à un diagramme de niveaux d'énergie tel que celui représenté sur la figure 1, les électrons sont excités de manière à sauter très fréquemment de l'état fondamental 1 SA1 à un niveau plus élevé 2P ou dans une bande de conduction, mais de façon que très peu d'électrons

sautent dans le niveau 1 SE pour une excitation par collisions.

D'autre part les électrons excités dans les niveaux d'énergie

2P ou plus haut redescendent dans les niveaux d'énergie infé-

o rieurs avec ou sans émission de rayonnement. Généralement lorsque l'impureté présente des niveaux d'énergie peu profonds, la probalité d'émission de rayonnement est faible, ce qui signifie

que les électrons excités redescendent dans les niveaux infé-

rieurs en produisant des phonons.

Bien que la description ci-dessus ait

concerné jusqu'ici une impureté de donneurs, il est évident qu'on peut utiliser des accepteurs à la place de donneurs, et que des niveaux d'énergie plus profonds que ceux indiqués ci-dessus, correspondant à une autre impureté, peuvent également être

exploités, à condition qu'on dispose de niveaux d'énergie dispo-

nibles dans les états excités.

La figure 2 représente la relation entre le

nombre d'onde K et la fréquence &r d'un phonon optique transver-

sal (TO). Quand le nombre d'onde K est petit, l'onde électroma-

gnétique produite dans l'infrarouge lointain se couple aux.

phonons dans un mode appelé Polariton, de sorte que la fréquence

% diminue et qu'en même temps la contribution de l'onde élec-

tromagnétique à la vibration du réseau devient relativement grande. Si un tel mode présentant un nombre d'onde K situé dans

la zone de fréquences o le phonon se couple à l'onde électro-

magnétique, est produit, le phonon est expulsé et l'onde élec-

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tromagnétique se trouve inévitablement excitée. On peut donc obtenir ainsi l'amplification de l'onde électromagnétique bien qu'à première vue ce processus corresponde à un modèle sans rayonnement. On utilise un résonateur de Fabry-Pérot

construit de la manière indiquée sur la figure 3. Les réflec-

teurs 1 et 2 sont recouverts d'un matériau réfléchissant per-

mettant d'obtenir spécifiquement un facteur de surtension Q très élevé à la longueur d'onde voulue P ro dans l'infrarouge

lointain.

Sur la figure 3 les références 1 et 2 désignent les réflecteurs, 3 un cristal de GaP, 4 et 5 les électrodes d'application du courant électrique, et 6 une source de tension continue. Quand un phonon de mode Polariton est émis à %i> dans le cristal, les électrons de l'impureté qui ont été ro excités dans les niveaux d'énergie plus élevés par les collisions ionisantes dues à l'application du courant électrique, retombent dans les niveaux d'énergie inférieurs, ce qui correspond à une

différence d'énergie W ro.

Comme indiqué sur la figure 1, la différence d'énergie entre 1 SE et le niveau 2 P ou un niveau supérieur,

est par exemple de l'ordre de 30 meV à 50 meV. De plus les élec-

trons sont très peu excités au niveau 1 SE par les collisions ionisantes. Par suite les transitions entre les niveaux d'énergie les plus élevés et le niveau 1 SE, comme indiqué par la ligne

ondulée de la figure 1, se font avec génération de phonons.

Ainsi les phonons du mode Polariton sont émis et amplifiés dans

la zone comprise entre 30 meV et 45 meV.

Il existe un autre-procédé d'excitation ou d'ionisation des électrons d'une impureté par application d'un courant électrique, dans lequel les électrons libres excités

thermiquement dans le cristal peuvent être accélérés pour bom-

barder l'impureté,ou dans lequel des porteurs libres peuvent

être produits par exposition du cristal à un rayonnement lumi-

neux présentant une énergie correspondant approximativement à une bande interdite, ou accélérés par application d'un champ électrique intense de façon que les porteurs provoquent des

collisions avec l'impureté.

Il existe encore une autre variante de procédé utilisant une jonction n-i ou p-i, ou p-i-n formée dans

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un semi-conducteur comme indiqué sur la figure 4A. La région i présente une concentration relativement faible en impureté et

cette impureté participe à la production d'une onde électroma-

gnétique ou d'une onde laser.

La figure 4B représente un diagramme de niveaux d'énergie dans le cas o une tension est appliquée dans le sens direct aux bornes de la jonction ni. Dans ce cas les électrons libres injectés dans la couche de type i sont accélérés par application d'un champ électrique intense destiné à produire un bombardement de l'impureté de Te. Ce bombardement excite à son tour les électrons dans les niveaux d'énergie des états excités, comme indiqué par le symbole "a" sur la figure 4B, ou dans la bande de conduction due à l'ionisation, comme indiqué par le symbole '1b" sur cette figure. Les électrons excités dans les niveaux de transitions redescendent dans l'état fondamental avec émission de phonons. Le champ électrique doit être de valeur telle qu'il soit insuffisant pour ioniser complètement

l'impureté de Te.

Dans une autre variante encore de réalisa-

tion, le champ électrique peut être appliqué en sens inverse et les électrons libres libérésdans la couche de type i, ou ceux excités par les rayons lumineux, peuvent être utilisés. En utilisant la jonction p-i au lieu de la jonction n-i on peut accélérer les trous pour provoquer la collision de ceux-ci avec l'impureté. La zone de type i peut ne pas être une zone à forte résistance à la température ambiante. Même si cette zone contient une concentration d'impureté Te d'environ 10 7/cm3, celle-ci peut présenter à 1500 Kiune résistance suffisamment élevée pour permettre l'application d'un champ électrique. Dans le cas o l'impureté de la couche de type p est remplacée par du Zn, on peut avoir des trous même à 1500 K du fait des niveaux d'énergie très peu profonde du Zn. Il est donc possible d'injecter des trous dans la couche de type n qui devient une couche de type i

à températures plus basses, et dtaccÉérer ces trous pour bombar-

der l'impureté de manière à produire l'excitation de, cette dernière. Dans les formes de réalisation ci-dessus, le niveau d'énergie de l'impureté Te se situe à environ 90 meV de sorte qu'une proportion considérable de cette impureté est

ionisée à la température ambiante et que le rendement diminue.

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7o z Pour réaliser un générateur d'ondes électromagnétiques rayonnant dans l'infrarouge lointain à la température ambiante, on préfère utiliser des impuretés présentant un niveau d'énergie plus profond. Comme il existe une grande variété de niveaux profonds, et également une grande variété de niveaux de transitions, on

peut trouver facilement des paires convenables de niveau d'éner-

gie dans les états excités. Par exemple l'oxygène 0 produit un

niveau très profond de 0,9 eV dans le GaP. Cette valeur représen-

te l'état fondamental. Les niveaux d'énergie des états excités sont pratiquement aux mêmes endroits que ceux du Te, comme indiqué sur la figure 1. Par suite cette valeur convient pour

la production d'ondes électromagnétiques à la température-ambiante.

Les formes de réalisation ci-dessus illus-

trent des émissions dans la zone du semi-conducteur o la proba-

bilité de présence des électrons est suffisante, et à l'équilibre thermique. Au contraire la forme de réalisation qui suitillustre l'utilisation d'un niveau d'énergie de donneur, produit par exemple par l'impureté Te dans un semi-conducteur de type opour

produire une onde électromagnétique dans l'infrarouge lointain.

Ce procédé est le même que les précédents en ce que le phonon

du mode Polariton est utilisé pour la production d'ondes élec-

tromagnétiques dans l'infrarouge lointain, mais il en diffère en ce qu'une jonction p-n est formée, comme on peut le voir, à

partir du diagramme de niveaux d'énergie de la figure 4B.

La figure 6A illustre un diagramme de bande

dans le cas o aucune tension dans le sens direct n'est appli-

quée aux bornes de la jonction p-n.

En l'absence de tension, l'impureté A (ctest-à-dire de Te) participant, selon l'invention, à leémission laser, se trouve ionisée dans la zone de type p de sorte qu'il

n'existe aucun électron capable de contribuer aux transitions.

Quand une tension V est appliquée dans le sens direct aux bornes de la jonction p-n, comme indiqué sur la figure 6B, les électrons sont injectés dans la zone de type p à l'endroit de la jonction p-n, et sont piégés. par l'impureté A. Dans ce cas le dispositif comporte un résonateur, comme indiqué sur la figure 3, et les électrons libres retombent directement de la bande de conduction ou des niveaux d'énergie de l'état excité les plus proches de la bande de conduction, vers le niveau 1 SE par exemple, comme indiqué par la référence 7 de la

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figure 6B, tout en émettant des phonons du mode Polariton.

Ensuite les électrons redescendent dans l'état fondamental indiqué en 8, puis les recombinaisons des électrons avec les trous se font par suite de la transition, comme indiqué en 8, ce qui donne une luminescence visible. Dans ce cas la zone de type p du semi-conducteur n'est soumise à aucun champ électrique intense. Il existe un autre type de recombinaison que la recombinaison des électrons libres avec les trous, comme indiqué en 9; cette dernière recombinaison se produisant en plus de celle décrite cidessus, ne contribue pas à la production d'une onde électromagnétique dans l'infrarouge lointain et diminue donc le rendement. Pour cette raison il

est souhaitable de réduire au minimum la concentration en accep-

teurs de la zone de type p. On utilise alors de préférence, au lieu de la zone de type p, une jonction de type n-p dans laquelle la zone de type p présente une grande concentration de

donneurs et d'accepteurs.

La fréquence du phonon optique (phonon TO)

dans le semi-conducteur, varie avec le matériau de ce semi-

conducteur. Dans le cas de semi-conducteurs des groupes III à V,

la fréquence de ceux-ci correspond à une longueur d'onde d'envi-

ron 201t à 100}. Par suite ce procédé peut produire un géné-

orateur dtondes électromagnétiques dans une grande plage de longueurs d'onde de l'infrarouge lointain (allant de 10 t à 3OOy, par exemple) par le choix de divers matériaux autres que le GaP. Comme les phonons TO sont répartis, dans une telle relation de distributions séparées, de la manière indiquée sur la figure 2, la fréquence de l'onde produite dans l'infrarouge

lointain peut se modifier de façon continue du côté dés fré-

quences plus basses que celles des phonons TO.

On peut pour cela remplacer l'un des réflec-

teurs du résonateur par un réseau de diffraction 11 des infra-

rouges lointains, comme indiqué sur la figure 5, et l'angle de celui-ci peut se régler de manière à faire varier la longueur

d'onde de l'onde électromagnétique à produire.

Dans ce cas la lumière correspondant à la

longueur d'onde voulue peut être soumise à une réflextion rétro-

directive sélective permettant d'obtenir une réaction comme indi-

4o que par les références '12 et 13 sur la figure 5.

9 -

Claims (9)

REVENDICATIONS

1.- Générateur d'ondes électromagnétiques dans l'infrarouge lointain, générateur caractérisé en ce qu'il comprend un semi-conducteur (3) contenant au moins une impureté, cette impureté présentant une différence d'énergie voisine de celle du quantum d'énergie d'un phonon optique, entre les niveaux d'énergie de l'état excité de cette impureté un résonateur (1, 2) permettant d'obtenir une réaction positive de l'onde électromagnétique correspondant à ce quantum d'énergie; et des moyens (4, 5, 6) permettant d'appliquer un courant

électrique aux bornes de ce semi-conducteur (3).

2.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le semiconducteur (3) est un cristal de

GaP et en ce que l'impureté est une impureté de donneur.

3.- Générateur selon l'une quelconque des

revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'impureté est

choisie dans un groupe constitué des éléments Te, Se et S.

4.- Générateur selon la revendication 1,

caractérisé en ce que l'impureté est une impureté d'accepteur.

5.- Générateur d'ondes électromagnétiques

dans l'infrarouge lointain, selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un semi-conduc-

teur (3) contenant au moins une impureté, cette impureté présen-

tant une différence d'énergie, voisine de celle du quantum d'énergie d'un phonon optique dans le semi-conducteur, entre les niveaux d'énergie des états excités de cette impureté, ce semi-conducteur présentant une jonction choisie dans un groupe constitué d'unejonction p-i, d'une jonction n-i, et d'une

jonction p-i-n, la couche de type i étant de résistivité rela-

tivement élevée; un résonateur (1, 2) permettant d'obtenir une réaction positive de l'onde électromagnétique présentant un quantum d'énergie voisin de celui du phonon optique; et des moyens (4, 5, 6) permettant d'appliquer un courant électrique

aux bornes de cette jonction.

6.- Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'un des réflecteurs du résonateur comporte

un réseau de diffraction (11).

7.- Générateur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'impureté comporte

une zone de conductivité de type opposé à celui de cette impu-

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reté, ainsi qu'une jonction d'injection dans cette zone de

porteurs de type de conductivité opposé à celui de cette zone.

8.- Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la jonction est choisie dans un groupe constitué d'une jonction n-p et d'une jonction n-p-.

9.- Générateur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'un des réflecteurs

du, résonateur comporte un réseau de diffraction (11).