Fourier-spektroskopische Frequenzanalyse der Submillimeterwellen aus Frequenzmultiplikatoren auf Halbleiter-Übergitter-Basis

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	12 November 2003
Referee:	Karl F. (Prof. Dr.) Renk
Date of exam:	17 September 2003
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Group Karl F. Renk
Keywords:	FIR , Fourier-Spektroskopie , Frequenzvervielfachung , FT-IR-Spektroskopie , Halbleiter , Übergitter , Frequenzmultiplikation , Frequenzmultiplikator , Submillimeterwellen , FIR , frequency multiplication , frequency multiplier , FT-IR-spectroscopy , submillimeter waves , semiconductor , superlattice
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10133

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war es zu zeigen, dass sich mit Halbleiter-Übergittern durch einstufige Frequenzmultiplikation Submillimeterwellen mit Frequenzen von über 1,5 THz erzeugen lassen. Hierzu wurden in einem geeigneten Wellenleitersystem untergebrachte Übergitterelemente mit Mikrowellen der Frequenz 110 GHz bestrahlt. In Folge konnte die Generation von Oberwellen bis zur 16. Ordnung oder rund 1,8 ...

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war es zu zeigen, dass sich mit Halbleiter-Übergittern durch einstufige Frequenzmultiplikation Submillimeterwellen mit Frequenzen von über 1,5 THz erzeugen lassen. Hierzu wurden in einem geeigneten Wellenleitersystem untergebrachte Übergitterelemente mit Mikrowellen der Frequenz 110 GHz bestrahlt. In Folge konnte die Generation von Oberwellen bis zur 16. Ordnung oder rund 1,8 THz nachgewiesen werden.

Daneben wird gezeigt, dass als Ausgangspunkt der Frequenzmultiplikation auch selbsterregte Bias-Oszillationen dienen können. An in Hohlraumresonatoren implementierte Übergitterbauelemente wurde ein elektrisches Feld angelegt derart, dass das spontane Auftreten von Bias-Oszillationen beobachtet wurde. Dies führte ebenfalls zur Erzeugung von Oberwellen, was bis zur 11. respektive 14. Ordnung oder jeweils knapp 500 GHz bestätigt werden konnte.

Kürzlich durchgeführte experimentelle Untersuchungen, deren theoretische Basis ein Drift-Diffusions-Modell für die Miniband-Elektronen ist, legen plausibel dar, dass die beobachtete Frequenzmultiplikation als eine unmittelbare Folge des Auftretens von propagierenden Raumladungsdomänen verstanden werden kann. Ihr Auf- und Abbau an Kathode und Anode führt zu einem stark anharmonischen Verlauf des Stromes durch das Übergitter, der damit zur Quelle der emittierten Oberwellen wird.

Alle vorgestellten Ergebnisse wurden mit einem modifizierten Fourier(-Transformations)-Spektrometer gewonnen. Die Nutzbarmachung dieser Technik bietet gegenüber anderen Verfahren eine Reihe von wesentlichen Vorteilen, was sich in der Praxis insbesondere darin zeigt, dass in sehr kurzer Zeit große Frequenzbereiche mit Intervallbreiten von einigen Terahertz bei gleichzeitig im Bereich weniger Picowatt liegender Nachweisempfindlichkeit abgetastet werden können. Eine Schwierigkeit stellt hierbei das Auftreten spektraler Artefakte und deren korrekte Interpretation dar.

Translation of the abstract (English)

The aim of this investigation was to show that semiconductor superlattices are capable for one-stage generation of submillimeter wave radiation at frequencies significantly above 1.5 THz by frequency multiplication. For that in a suitable waveguide system mounted superlattice devices were irradiated with microwaves at 110 GHz. In result the generation of harmonics could be verified up to 16th ...

Translation of the abstract (English)

The aim of this investigation was to show that semiconductor superlattices are capable for one-stage generation of submillimeter wave radiation at frequencies significantly above 1.5 THz by frequency multiplication. For that in a suitable waveguide system mounted superlattice devices were irradiated with microwaves at 110 GHz. In result the generation of harmonics could be verified up to 16th order or approximately 1.8 THz.

It is likewise shown that also self-excited bias-oscillations can serve as source for the frequency multiplication. An electrical field was applied to superlattice devices implemented in cavities in such a way, that the spontaneous occurrence of bias-oscillations was observed. This again led to the generation of harmonics up to 11th respectively 14th order, and in each case emissions at almost 500 GHz could be confirmed.

Recently done experimental investigations whose theoretical basis is a drift-diffusion-model for the miniband electrons carried out plausibly that the observed frequency multiplication can be understood as a direct consequence of the occurrence of propagating space charge domains. Their assembly and disassembly at cathode and anode causes a strongly unharmonious current through the superlattice device that becomes the source of the emitted harmonics thereby.

All results were gained with a modified Fourier(-Transform)-Spectrometer. The utilization of this technique offers a line of fundamental advantages opposite other techniques, which in practice shows in particular therein that frequency domains with interval widths of some THz can be sampled at sensitivities in the field of a few pW within a very short time. A difficulty represents the occurrence of spectral artefacts and their correct interpretation.

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