DE1200900B

DE1200900B - Device for changing the attenuation of maximum frequencies in hollow lines

Info

Publication number: DE1200900B
Application number: DES66328A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Manfred Zerbst
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-12-18
Filing date: 1959-12-18
Publication date: 1965-09-16

Description

Vorrichtung zum Verändern der Dämpfung von Höchstfrequenzen in Hohlleitungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern der Dämpfung von Höchstfrequenzen in Hohlleitungen, bei der ein aus Halbleitermaterial bestehendes Dämpfungsglied in der Hohlleitung angeordnet ist und Steuerungsmittel zum Erzeugen oder Injizieren von die Dämpfung der Höchstfrequenz beeinflussenden Ladungsträger in das Halbleitermaterial vorgesehen sind.Device for changing the attenuation of maximum frequencies in hollow pipes The invention relates to a device for changing the attenuation of maximum frequencies in hollow pipes, in which an attenuator made of semiconductor material is arranged in the hollow line and control means for generating or injecting of charge carriers influencing the attenuation of the maximum frequency in the semiconductor material are provided.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zu Modulationszwecken Dämpfungsglieder aus Halbleitermaterial mit wenigstens teilweiser Störstellenleitfähigkeit mit einer Hohlleitung zu koppeln. Speziell befindet sich dabei eine intrinsic-leitende Zone des Halbleitermaterials im Hohlleiter und zwei Zonen vom p- bzw. n-Leitungstyp außerhalb des Hohlleiters. Da jedoch bei derartigen Anordnungen Querschnittsänderungen und Öffnungen zum Einsetzen des Halbleiterkörpers für den Hohlleiter vorgesehen werden müssen, ergeben sich Nachteile, die in einer Störung der im Hohlleiter geführten elektromagnetischen Welle zu sehen sind.It has already been proposed to use attenuators for modulation purposes of semiconductor material with at least partial impurity conductivity with a Coupling hollow pipe. In particular, there is an intrinsic conductive zone of the semiconductor material in the waveguide and two zones of the p- and n-conductivity type outside of the waveguide. However, since cross-sectional changes and changes in such arrangements Openings for inserting the semiconductor body are provided for the waveguide must, there are disadvantages that result in a disruption of the waveguide electromagnetic wave can be seen.

Die vorliegende Erfindung macht sich die Eigenschaft von Halbleiterkörpern zunutze, daß die Höchstfrequenzdämpfung des Halbleitermaterials in hohem Maße von der Ladungsträgerdichte bestimmt ist. Die Lebensdauer der in einem Halbleiter erzeugten Ladungsträger ist jedoch insofern nachteilig, als sie ein schnelles Verändern der Dämpfung verhindert.The present invention makes use of the property of semiconductor bodies take advantage of the fact that the maximum frequency attenuation of the semiconductor material is to a large extent of the charge carrier density is determined. The lifetime of the generated in a semiconductor However, charge carrier is disadvantageous in that it allows for rapid change in the Prevents damping.

Bei einer Vorrichtung zum Verändern der Dämpfung von Höchstfrequenzen in Hohlleitungen, bei der ein hochreines Halbleitermaterial in der Hohlleitung angeordnet ist und Steuerungsmittel zum Erzeugen oder Injizieren von die Dämpfung der Höchstfrequenz erhöhenden zusätzlichen Ladungsträgern in dem Halbleitermaterial vorgesehen sind, besitzt erfindungsgemäß das hochreine Halbleitermaterial eine Lebensdauer der Ladungsträger, die höchstens etwa gleich ist der Zeit, während der die Steuerungsmittel die Menge der zusätzlichen Ladungsträger etwa konstant halten, indem sie eine im wesentlichen konstante Menge der Ladungsträger in der Zeiteinheit erzeugen oder injizieren, und ist als stabförmiger, in Längsrichtung und ganz innerhalb der Hohlleitung angeordneter Dämpfungskörper ausgebildet.In a device for changing the attenuation of maximum frequencies in hollow pipes, in which a high-purity semiconductor material is arranged in the hollow pipe and control means for generating or injecting the attenuation of the maximum frequency increasing additional charge carriers are provided in the semiconductor material, According to the invention, the high-purity semiconductor material has a service life of the charge carriers, which is at most approximately equal to the time during which the control means the amount keep the additional charge carriers approximately constant by making an essentially generate or inject a constant amount of charge carriers per unit of time, and is as a rod-shaped, arranged in the longitudinal direction and completely within the hollow pipe Damping body formed.

Die Vorrichtung gestattet damit auch die Steuerung der Dämpfung der Höchstfrequenz im Takte einer genügend niedrigen Frequenz, wenn dafür gesorgt ist, daß die Lebensdauer der Ladungsträger in dem zur Dämpfung dienenden Halbleitermaterial höchstens etwa gleich einem Viertel der Zeitdauer einer Welle der Frequenz beträgt. Da die Lebensdauer der Ladungsträger z. B. in hochreinen Siliziumkörpern bis zu einer Millisekunde beträgt, ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zur Veränderung der Dämpfung von Höchstfrequenzen im Takte von niedrigen Frequenzen bis zu etwa 1000 Hz gut geeignet.The device thus also allows the control of the damping of the Maximum frequency in the cycle of a sufficiently low frequency, if care is taken that the life of the charge carriers in the semiconductor material used for damping is at most approximately equal to a quarter of the duration of a wave of the frequency. Since the life of the charge carriers z. B. in high-purity silicon bodies up to one millisecond, the device according to the invention is also capable of change the attenuation of maximum frequencies in the cycle from low frequencies up to about 1000 Hz well suited.

Besonders vorteilhaft ist es, hochreines Halbleitermaterial zu verwenden, um eine nur sehr geringe Grunddämpfung durch den Dämpfungskörper zu erhalten. Demgemäß wird als Dämpfungsmaterial also entweder intrinsic-leitendes Halbleitermaterial, z. B. Germanium, verwendet oder der Ohmsche Widerstand des verwendeten Materials wird durch Gegendotierung so hoch wie möglich gemacht. Im Falle des besonders vorteilhaften Siliziums empfiehlt es sich, vor allem ein hochreines Silizium zu verwenden, das mit etwa der gleichen Zahl von p- und n-Leitung erzeugenden Störstellen versehen ist, so daß es einen sehr hohen spezifischen Widerstand von wenigstens etwa 100 Ohm/cm und darüber, insbesondere über 10 000 Ohm/cm, besitzt. Zur Injektion von Ladungsträgern in das Halbleitermaterial ist der Dämpfungskörper z. B. mit einer emissionsfähig aufgebrachten Elektrode versehen, über die von einer Steuerspannungsquelle aus die entsprechende Zahl der injizierten Ladungsträger entsprechend den Schwankungen dieser Steuerspannung geändert wird. Statt zusätzliche Ladungsträger in das zur Dämpfung dienende Halbleitermaterial elektrisch zu injizieren, kann der Dämpfungskörper in der Hohlleitung auch durch Bestrahlung, z. B. optisch, gesteuert werden, indem durch die mehr oder minder starke Bestrahlung eine mehr oder minder große Zahl von Ladungsträgern in dem Halbleitermaterial erzeugt wird.It is particularly advantageous to use high-purity semiconductor material, in order to obtain only a very low basic damping by the damping body. Accordingly the damping material is either intrinsic conductive semiconductor material, z. B. germanium, used or the ohmic resistance of the material used is made as high as possible by counter-doping. In the case of the particularly advantageous Silicon, it is advisable to use above all a high-purity silicon that provided with approximately the same number of p- and n-line generating impurities is so that it has a very high resistivity of at least about 100 Ohms / cm and above, especially above 10,000 ohms / cm. For injection of Charge carriers in the semiconductor material is the damping body z. B. with a provided emissive applied electrode, via the from a control voltage source from the corresponding number of injected charge carriers according to the fluctuations this control voltage is changed. Instead of additional load carriers in the for The damping body can electrically inject semiconductor material used for damping in the hollow pipe also by irradiation, e.g. B. optically, can be controlled by by the more or less strong irradiation a more or less large number of Charge carriers is generated in the semiconductor material.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 4 in der folgenden Beschreibung näher erläutert. F i g. 1 und 2 zeigen einen Hohlleiter 1 im Längsschnitt (F i g. 1) und im Querschnitt A -A (F i g. 2). Wie aus F i g. 2 ersichtlich, hat der Querschnitt Kreisform. In dem Hohlleiter 1 ist im Kontakt mit dem Hohlleiter ein Siliziumstab 2 angeordnet, der möglichst hochohmig, insbesondere ohne ein wesentliches Überwiegen des einen oder des anderen Leitungstyps, ausgebildet ist. Vorzugsweise besteht der Siliziumstab aus einem Material, das durch seinen Gehalt an Bor-Störstellen p-leitend hergestellt und durch Gegendotierung mit n-Störstellen während oder nach der Herstellung einen möglichst hohen spezifischen Ohmschen Widerstand von z. B. 10 000 Ohm oder mehr erhalten hat. Die Anordnung des Silizumstabes 2 in dem Hohlleiter 1 ist derart, daß der Stab 2 eine Öffnung 1' des Hohlleiters verschließt. Innerhalb dieser Öffnung 1' des Hohlleiters 1 ist der aus Silizium bestehende Dämpfungsstab 2 mit einer Elektrode 3 versehen, die vorzugsweise sperrschichtfrei auf den Dämpfungsstab 2 aufgebracht ist. Diese Elektrode 3 ist über die Steuerungsmittel, das sind eine Wechselspannungsquelle 4 und eine zur Vorspannung dienende Gleichspannungsquelle 5, mit dem Hohlleiter 1 verbunden, der selber wieder mit dem Siliziumstab 2 metallisch verbunden ist. Dabei muß dafür Sorge getragen sein, daß zwischen der Elektrode 3, die sich über einen großen Teil der Länge des Dämpfungsstabes 2 erstreckt, und der Hohlleitung 1 ein genügend großer Widerstand besteht, der vorzugsweise dadurch hoch gemacht wird, daß das Halbleitermaterial um die Elektrode 3 herum z. B. weggeätzt wird, s. die die Elektrode 3 umgebende Vertiefung 2'. Die Frequenz der Wechselspannungsquelle 4 muß so bemessen sein, daß die Zeitdauer einer Welle dieser Wechselspannung groß ist, d. h. mindestens etwa das 4- bis 10fache der Lebensdauer beträgt, die die über die Elektrode 3 in den Halbleiterstab 2 injizierten Ladungsträger besitzen.Embodiments of the invention are illustrated with reference to FIGS. 1 to 4 explained in more detail in the following description. F i g. 1 and 2 show a waveguide 1 in longitudinal section (FIG. 1) and in cross section A -A (FIG. 2). As shown in FIG. 2, the cross-section has a circular shape. In the waveguide 1, in contact with the waveguide, a silicon rod 2 is arranged, which is designed as high-resistance as possible, in particular without a substantial predominance of one or the other type of conduction. The silicon rod is preferably made of a material which, due to its content of boron impurities, is made p-conductive and by counter-doping with n-impurities during or after production a specific ohmic resistance of z. B. has received 10,000 ohms or more. The arrangement of the silicon rod 2 in the waveguide 1 is such that the rod 2 closes an opening 1 'of the waveguide. Inside this opening 1 ′ of the waveguide 1, the damping rod 2 made of silicon is provided with an electrode 3, which is preferably applied to the damping rod 2 without a barrier layer. This electrode 3 is connected via the control means, that is, an alternating voltage source 4 and a direct voltage source 5 serving for biasing, to the waveguide 1, which itself is again connected to the silicon rod 2 by metal. Care must be taken that between the electrode 3, which extends over a large part of the length of the damping rod 2, and the hollow line 1, there is a sufficiently large resistance, which is preferably made high by the fact that the semiconductor material around the electrode 3 around z. B. is etched away, see the recess 2 'surrounding the electrode 3. The frequency of the alternating voltage source 4 must be such that the duration of a wave of this alternating voltage is long, ie at least about 4 to 10 times the life of the charge carriers injected into the semiconductor rod 2 via the electrode 3.

In einer Abänderung dieses Ausführungsbeispiels kann der Halbleiterstab 2 auch isoliert gegen den Hohlleiter 1 in diesem angeordnet sein. In diesem Fall ist die Elektrode 3 über die Vorspannungsquelle 5 unmittelbar, d. h. nicht über den Hohlleiter 1, mit dem Dämpfungsglied 2 verbunden.In a modification of this exemplary embodiment, the semiconductor rod 2 can also be arranged in the waveguide 1 so as to be insulated from the latter. In this case, the electrode 3 is directly connected to the attenuator 2 via the bias voltage source 5, ie not via the waveguide 1 .

Statt der Steuerung der Dämpfung der in der Hohlleitung fließenden Höchstfrequenz durch die Injektion von zusätzlichen Ladungsträgern in das halbleitende Dämpfungsglied 2 durch eine Elektrode 3 können die zusätzlichen Ladungsträger auch optisch erzeugt werden. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigen die F i g. 3 und 4, bei denen die F i g. 4 den Schnitt B-B durch die Anordnung der F i g. 3 darstellt. Der Querschnitt des Hohlleiters ist in diesem Fall rechteckförmig und insbesondere flach. In diesem Falle empfiehlt es sich, die Injektion bzw. Erzeugung der zusätzlichen Ladungsträger auf der Flachseite des Hohlleiters vorzunehmen, um über den gesamten Querschnitt des Dämpfungsgliedes 2 eine möglichst gleichmäßige Ladungsträgerdichte zu erzeugen. Wie aus F i g. 3 und 4 ferner ersichtlich, füllt das Dämpfungsglied 2, das vorzugsweise ebenfalls wieder aus sehr hochohmigem Silizium besteht, den Querschnitt des Hohlleiters fast vollständig aus und ist, vorzugsweise durch eine nur dünne isolierende Zwischenschicht 4, gegen den Hohlleiter 1 isoliert. Dieser Hohlleiter 1 besitzt eine einen großen Teil der Breite der Flachseite des Hohlleiters einnehmende Öffnung 1'. Durch diese Öffnung 1', die auch von der Isolierschicht 4 weitgehend frei gelassen wird, kann das Licht der Lichtquelle 7 breitflächig auf den Dämpfungskörper 2 fallen und dort die gewünschten Ladungsträger erzeugen. Zur Steuerung der jeweils erzeugten Lichtmenge dient eine Blende 6, die mittels ihres Führungsstabes 6' je nach Wunsch bis in die gestrichelt gezeichnete, die öffnung 1' abdeckende Lage gebracht werden kann oder in der ausgezogen gezeichneten Lage die volle Belichtung des halb gleitenden Dämpfungskörpers 2 durch die Lichtquelle 7 gestattet. Je nach den verschiedenen Zwischenstellungen, die die Blende 6 einnimmt, ist dann auch die Zahl der im gleitenden Dämpfungskörper 2 erzeugten Ladungsträger verschieden groß.Instead of controlling the attenuation of the maximum frequency flowing in the hollow line by injecting additional charge carriers into the semiconducting attenuator 2 by an electrode 3, the additional charge carriers can also be generated optically. Such an exemplary embodiment is shown in FIGS. 3 and 4, in which the F i g. 4 the section BB through the arrangement of FIG. 3 represents. The cross section of the waveguide is rectangular and in particular flat in this case. In this case, it is advisable to inject or generate the additional charge carriers on the flat side of the waveguide in order to generate a charge carrier density that is as uniform as possible over the entire cross section of the attenuator 2. As shown in FIG. 3 and 4, the attenuator 2, which is preferably also made of very high-resistance silicon, almost completely fills the cross section of the waveguide and is isolated from the waveguide 1 , preferably by an only thin insulating intermediate layer 4 . This waveguide 1 has an opening 1 'which occupies a large part of the width of the flat side of the waveguide. Through this opening 1 ', which is also largely left free by the insulating layer 4, the light from the light source 7 can fall over a wide area onto the damping body 2 and generate the desired charge carriers there. A diaphragm 6 is used to control the amount of light generated in each case, which by means of its guide rod 6 'can be brought into the dashed-line position covering the opening 1', or the full exposure of the semi-sliding damping body 2 in the solid position the light source 7 allowed. Depending on the various intermediate positions that the diaphragm 6 assumes, the number of charge carriers generated in the sliding damping body 2 is then also different.

Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind zur Anwendung in Meßanordnungen für Höchstfrequenzen besonders geeignet. Hierzu ist der halbe gleitende Dämpfungskörper 2 in die Hohlleitung einer solchen Meßanordnung eingebaut und gestattet es, die Dämpfung der Höchstfrequenz, auf die es dabei sehr genau ankommt, in einfacher Weise und trotzdem reproduzierbar und stetig veränderbar sehr fein, d. h. bis auf Dämpfungsunterschiede unter 0,1 Neper genau einzustellen. Dies war bei den bisher verwendeten Vorrichtungen nur bis zu einem gewissen Grade (Dämpfungsanordnung um > 0,1 Neper) möglich, bei denen Widerstandsschichten, z. B. Kunststofflamellen mit Metallauflagen, im Hohlleiter mechanisch verschoben wurden. Es ist auch bereits bekannt, in Halbleiterkörpern die Abhängigkeit der Höchstfrequenzdämpfung eines Halbleiters von der Ladungsträgerdichte zur Messung der Lebensdauer der in den Halbleiter injizierten Ladungsträger zu benutzen; doch wird hierbei mit sehr kurzen Impulsen gearbeitet und die Änderung der Dämpfung gemessen, die sich aus der Verringerung der Dichte der zuvor durch den kurzen Impuls injizierten Ladungsträger ergibt. Bei der Erfindung wird jedoch die Dämpfung gemessen, die sich bei einer genügend langen Dauer der Injektionen, d. h. bei im wesentlichen konstanter Ladungsträgerdichte, ergibt. Sie bietet dadurch den wesentlichen Vorteil, die Dämpfung der Höchstfrequenz ohne jegliche mechanische Vorrichtung, z. B. nur durch die Änderung der Belichtung des Dämpfungsgliedes bzw. durch den von der Elektrode in das Dämpfungsglied injizierten Ladungsträgerstrom, sehr fein zu verstellen. So kann die Dämpfung selbst um große Werte, z. B. um mehrere Neper, mit einer Genauigkeit von weit unter 0,1 Neper sicher und reproduzierbar verändert werden, wie es vor allem für Höchstfrequenzmeßleitungen wünschenswert ist.The devices according to the invention are for use in measuring arrangements particularly suitable for maximum frequencies. For this purpose, half the sliding damping body is needed 2 built into the hollow pipe of such a measuring arrangement and allows the Attenuation of the maximum frequency, which is very important, in a simple way and yet reproducible and continuously changeable very fine, d. H. except for differences in attenuation to be set precisely below 0.1 neper. This was the case with the devices previously used only possible to a certain extent (damping arrangement by> 0.1 neper) which resistance layers, e.g. B. Plastic lamellas with metal supports, in the waveguide moved mechanically. It is also already known in semiconductor bodies the dependence of the maximum frequency attenuation of a semiconductor on the charge carrier density to use to measure the lifetime of the charge carriers injected into the semiconductor; but this is done with very short pulses and the change in damping measured resulting from the reduction in the density of the previous short pulse injected charge carrier results. In the invention, however, the attenuation is measured, which arise with a sufficiently long duration of the injections, d. H. at essentially constant charge carrier density results. It offers the essential advantage the attenuation of the maximum frequency without any mechanical device, e.g. B. only by changing the exposure of the attenuator or by that of the electrode The charge carrier current injected into the attenuator can be adjusted very finely. So the damping itself can be increased by large values, e.g. B. to several Neper, with an accuracy can be changed safely and reproducibly by far below 0.1 neper, as it was before is particularly desirable for ultra-high frequency test leads.

Als Lebensdauer der Ladungsträger ist die Zeit anzusehen, innerhalb der eine im Halbleiter erzeugte Ladungsträgerdichte um den Faktor e abgesunken ist. Diese Lebensdauer beträgt bei Silizium, wie schon gesagt, bis zu einer Millisekunde. Wird nun eine hohe Empfindlichkeit der Steuerung gewünscht, soll also die Ladungsträgerdichte sich bei Änderung der Steuerenergie, z. B. der an die Elektrode 3 angelegten Steuerspannung stark ändern, so muß diese Lebensdauer möglichst hoch sein, d. h., es muß ein solches Halbleitermaterial verwendet werden, das eine solche hohe Lebensdauer seiner Ladungsträger besitzt. Auf Grund dieser Überlegungen ist es zur Erzielung einer möglichst hohen Empfindlichkeit der Vorrichtung besonders zweckmäßig, bei gegebener Frequenz ein Halbleitermaterial zu verwenden, bei dem die Lebensdauer der Ladungsträger etwa gleich der Zeit ist, während der die in der Zeiteinheit erzeugte oder injizierte Ladungsträgermenge etwa konstant bleibt.The service life of the charge carriers is the time within which a charge carrier density generated in the semiconductor has decreased by a factor of e. As already mentioned, this service life for silicon is up to one millisecond. If a high sensitivity of the control is desired, the charge carrier density should be when the control energy changes, e.g. B. the control voltage applied to the electrode 3 change strongly, this service life must be as long as possible, i. that is, there must be one Semiconductor material are used, which has such a long service life of its charge carriers owns. Based on these considerations, it is necessary to achieve the highest possible Sensitivity of Device particularly useful when given Frequency to use a semiconductor material in which the life of the charge carriers is approximately equal to the time during which the generated or injected in the unit of time The amount of charge carriers remains approximately constant.

Claims

Claims: 1. Device for changing the attenuation of maximum frequencies in hollow pipes, in which a high-purity semiconductor material is arranged in the hollow pipe and control means for generating or injecting the attenuation of the maximum frequency increasing additional charge carriers are provided in the semiconductor material, characterized in that the high-purity semiconductor material that has a lifetime the charge carrier possesses, which is at most approximately equal to the time during which the Control means keep the amount of additional charge carriers approximately constant, by having a substantially constant amount of charge carriers in the unit of time generate or inject, as rod-shaped, lengthways and entirely within the hollow pipe (1) arranged damping body (2) is formed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the control means the time during which carries a substantially constant amount of charge carriers in the unit of time Radiation effect generated in the semiconductor material of the damping body or by means of an emitter electrode is injected into the semiconductor material, preferably about Keep 10 times or more longer than the life of the charge carriers in the semiconductor material.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the semiconductor material of the damping body made of high-purity silicon with a specific resistance of at least about 100 ohms / cm and above, in particular above 10,000 ohms / cm.

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the semiconductor material of the damping body with an electrode that is preferably applied without a barrier layer is provided.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the damping body in the hollow line of a measuring arrangement for maximum frequencies is arranged.

6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the damping body (2) essentially has the cross section of the waveguide (1) fills out.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the waveguide (1) has an opening (1 ') covered by the damping body (2) and that the injection or generation of the additional charge carriers in the damping body (2) within this opening (1 ') takes place in the damping body (2). B. Device according to claim 7, characterized by an electrode (3) extending along the opening (1 '), by means of which the charge carriers are injected into the damping body (2). 9. The device according to claim 7, characterized by an illumination source (7) which through the wide opening (1 ') arranged on the flat side of a rectangular waveguide (1 ) the damping body (2), in particular depending on the position of a cover slide (G ), exposed. Older patents considered: German Patent No. 1100733.