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Elektrisches Halbleitergerät Es sind Halbleitergeräte bekanntgeworden, die auf der Änderung des elektrischen Widerstandes beruhen, den ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt, und bei denen als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer \rägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm/Vsec vorgesehen ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Halbleitergerät der vorgenannten Art, bei dem durch geeignete geometrische Dimensionierung des Halbleiterkörpers eine wesentliche Erhöhung der magnetischen Widerstandsänderung erreicht ist, u. zw. dadurch, dass zur Unterdrückung der Ausbildung eines Hallfeldes der Elektrodenabstand kleiner ist als die Ausdehnung des Halbleiterkörpers normal zur Richtung des Primärstromes und des Magnetfeldes.
Die physikalischen Grundlagen, auf denen die vorliegende Erfindung beruht, zeigen die nachfolgenden Betrachtungen.
Wird ein stabförmiger Leiter in seiner Längsrichtung von einem elektrischen Strom durchflossen, so haben die elektrischen Stromlinien den. in Fig. la dargestellten Verlauf, d. h. der Stromdurchfluss erfolgt so, dass die Strombahnen kürzeste Wege von Elektrode zu Elektrode sind und somit der Leiter den kleinstmöglichen Widerstand annimmt. Wird senkrecht zur Zeichenebene ein Magnetfeld, - dessen Durchstosspunkte in Fig. Ib durch (D angedeutet sind - eingeschaltet, so erfolgt zunächst eine Ablenkung der Ladungsträger senkrecht zu den Stromlinien und zum Magnetfeld. Dies führt zu einer elektrischen Aufladung der beiden in der Ablenkrichtung liegenden Oberflächen. Das hiedurch gebildete elektrische Feld bezeichnet man als Hallfeld, die zugehörige elektrische Querspannung als Hallspannung.
Im stationären Zustand ist das Hallfeld gerade so gross, dass es die magnetische Kraft auf die Ladungsträger kompensiert.
Aus diesem Grunde haben bei einem Leiter- bzw. Halbleiterkörper von der Form nach Fig. 1 die Stromlinien mit Magnetfeld (Fig. Ib) denselben Verlauf wie ohne Magnetfeld (Fig. la). Trotzdem wird durch das Magnetfeld der Widerstand des Leiters bzw. Halbleiters erhöht. Dies beruht darauf, dass im Magnetfeld. die Beweglichkeit der Ladungsträger kleiner ist als ohne Magnetfeld. Dieser Effekt wird allgemein als "magnetische Widerstandsänderung"bezeichnet.
Die Widerstandsänderung im Magnetfeld lässt sich erfindungsgemäss über den vorgenannten Effekt hinaus durch entsprechende Formgebung des Halbleiters vergrössern. Dies tritt dann ein, wenn die Ausbildung des Hallfeldes unterdrückt wird, so dass eine Ablenkung der Strombahnen eintritt. Ein solcher Fall wird an Hand der Fig. 2 erläutert. Ein quaderförmiger Halbleiter ist an zwei gegenüberliegenden Flächen mit Flächenelektroden versehen. Die Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene ist für den Effekt ohne Belang, wesentlich ist nur, dass der Abstand der Elektroden kleiner ist als deren Länge bzw. als jene des Halbleiterkörpers in der Zeichenebene. Wird an die Elektroden ein elektrisches Feld gelegt, so nehmen die sich ausbildenden Strombahnen den kürzesten Weg zwischen den beiden Elektroden ein (Fig. 2a).
Schaltet man aber senkrecht zur Zeichenebene ein Magnetfeld-dessen Durchstosspunkte in Fig. 2b mit 0 angedeutet sind-ein, so kann die Hallspannung die magnetischen Kräfte auf die Strombahnenim Gegensatz zu den Verhältnissen bei Fig, 1 - nicht mehr kompensieren. Die Strombahnen mit Magnetfeld (Fig. 2b) werden daher gegenüber ihrem Verlauf ohne Magnetfeld (Fig. 2a) um den Winkel 6, den
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sogenannten Hallwinkel, gedreht. Dies hat zur Fulge, dass die Strombahnen nicht mehr die kürzesten Verbindungen zwischen den Elektroden darstellen.
Neben der dadurch verursachten Vergrösserung der Widerstandsänderung im Magnetfeld durch die Strombahnverlängerunj tritt eine zusätzliche Vergrösserung dadurch ein, dass nun die Abstände zwischen den Strombahnen kleiner sind, was gleichbedeutend ist mit einer Erhöhung der Stromdichte und somit des Widerstandes. Auch diese Zusammendrängung der Strombahnen ist als eine Änderung von diesen im Sinne der Erfindung anzusehen.
Bei Leitern und Halbleitern mit mittlerer und kleiner Trägerbeweglichkeit ist auch unter Zuhilfenahme dieses Effektes die magnetische Widerstandsänderu. 1g immer noch so gering, dass sie im allge- meinen für eine technische Anwendung unzureichend ist. Anders dagegen bei Halblelterkörpern mit einer Trägerbeweglichkeit von etwa 6000 cm2/Vsec, vorzugsweise aber von 10000 cm/Vsec und grösser. Bei diesen Materialien ist die Verlagerung der Strombahnen im Magnetfeld so gross, dass sie praktisch in Erscheinung tritt. So ist es möglich, Widerstandsänderungen zu erreichen, die die bisher bei Wismut bekannten Werte weit übertreffen.
In Fig. 3 werden die gemessenen Widerstandsänderungen in einem Magnetfeld von 10000 Gauss bei Wismut (Bi), Germanium (Ge) und Indiumantimonid (In Sb), gegenüberge- stellt, bezüglich des letzteren hinsichtlich der Abhängigkeit von der geometrischen Form und der Lage im Magnetfeld der verwendeten InSb-Körper. Und zwar entspricht die Kurve a einer Anordnung des Halbleiterkörpers im Magnetfeld gemäss Fig. 2 (10 X 3 X 0, 5 mm), die Kurve b einer quadratischen Platte " (8 X 8 X 0,5 mm) und die Kurve c einem Stab gemäss der Fig. l.
Die Anordnung nach Fig. 2 hat einen verhältnismässig kleinen Widerstand, der vor allem bei niederohmigen Halbleitermaterialien, z. B. bei InSb, für manche Anwendungen unerwünscht sein kann.
Dem kann durch die Hintereinanderschaltung einer Anzahl solcher Kristalle begegnet werden. Die glei- che Wirkung erzielt man dadurch, dass man, wie in Fig. 4 dargestellt, auf eine Halbleiterplatte, an deren Schmalseite die Elektroden angebracht sind, leitende Streifen parallel zu den Elektroden aufbringt u. zw. durch Auflöten dünner Drähte oder durch Aufstreichen bzw. Aufdampfen von leitendem Material mit Rastern. Dabei muss der Abstand der Streifen grösser als die Ausdehnung der Platte senkrecht zur Zeichenebene sein.
Die Anordnung nach Fig. 4 ist einer Hintereinanderschaltung mehrerer getrennter Halbleiterkörper von der Art der Fig. 2 dadurch überlegen, dass sie weniger Raum in Anspruch nimmt und damit die Ver- wendung von Magnetfeldern geringer räumlicher Ausdehnung ermöglicht.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind Randstörungen möglich, die'dadurch bedingt sind, dass in der Nähe der elektrodenfreien Oberflächen die Strombahnen auch im Magnetfeld annähernd parallel zur Oberfläche verlaufen müssen. Solche Randstörungen werden vermieden, wenn man, wie in Fig. 5 dargestellt, als Halbleiterkörper eine kreisförmige Scheibe verwendet, die von der einen Elektrode ganz umgeben ist, während die zweite in der Mitte der Scheibe angebracht ist. Halbleiterscheiben dieser Form sind unter der Bezeichnung"Corbinoscheibe"schon bekanntgeworden. Sie erfüllen die Bedingungen der
Erfindung in besonderem Masse-Grenzfall mit verschwindendem Hallfeld - und erlangen erst im Zusammenhang mit dieser eine technische Bedeutung.
Es ist nicht unbedingt notwendig, dass die Scheibe kreisförmig ist. Wegen des Wegfallens der Randstörungen ist bei dieser Anordnung die Widerstandsänderung im Magnetfeld besonders gross. Der Stromlinienverlauf ohne Magnetfeld wird in Fig. 5a, derjenige mit Magnetfeld in Fig. 5b angedeutet. Zur Erzielung eines hohen Gesamtwiderstandes wird die Innenelektrode als Punktkontakt ausgestaltet. Der Punktkontakt ist dadurch definiert, dass das Verhältnis Radius derAussenelektrode zu Radius der Innenelektrode mindestens gleich 10 oder grösser ist. Der Widerstand der Anordnung ist gegeben durch die Formel
EMI2.1
Hierin ist p der spezifische Widerstand, d die Dicke des Halbleiterkristalls, R der Radius der Aussenelektrode und R2 der Radius der Innenelektrode.
Bei der Anwendung der Erfindung wird ein Punktkontakt bevorzugt, welcher in der folgenden Weise hergestellt ist. Der Kristall wird mit einer kleinen Bohrung versehen und in diese Bohrung ein Metalldraht, der den Kristall ganz durchquert, eingelötet (Fig. 6). Diese Anordnung hat gegenüber der in Fig. 7 dargestellten Anordnung, in welcher lediglich ein oberflächlicher Punktkontakt vorgesehen ist, den Vorteil, dass von vornherein die Stromlinien in der Nähe des Punktkontaktes auf dem Magnetfeld senkrechtstehen und dadurch die Widerstandsänderung im Magnetfeld maximal gross wird. Weiterhin ist es möglich, an Stelle der die Scheibe umfassenden Aussenelektrode eine zweite Punktelektrode, wie in Fig. 7 dargestellt, oder auch mehrere Punkt-Elektroden-Paare anzubringen.
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Neben dem Vorteil einer hohen Widerstandsänderung und eines hohen absoluten Widerstandes hat eine derartige Anordnung auch den Vorteil einer relativ hohen Strombelastbarkeit. Die äusseren Teile des Halbleiterkristalls stellen eine relativ grosse Kühlfläche dar und tragen zur Ableitung der in der Nähe des Punktkontaktes entwickelten Wärme bei.
Bei der letztgenannten Anordnung ist es nicht nötig, dass sich der ganze Kristall im Magnetfeld befindet ; es genügt, wenn die Umgebung des Punktkontaktes, die den wesentlichen Beitrag zum Gesamtwiderstand liefert, dem Magnetfeld ausgesetzt ist, mit dem Vorteil, dass auch relativ kleine Magnetpolschuhe verwendet werden können. Daraus ergibt sich wiederum die Möglichkeit, die für den erwünschten Effekt wenig beitragenden äusseren Teile der Corbinoscheibe durch Bleche zu ersetzen, die dann als "Kühlrippen" wirken und deren Grösse entsprechend der erforderlichen Wärmeabfuhr gewählt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches. Halbleitergerät, das auf der Änderung des elektrischen Widerstandes beruht, den ein Halbleiterkorper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt, und bei dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm2 fVsec vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unt3rdrückung der Ausbildung eines Hallfeldes der Elektrodenabstand kleiner ist als die Ausdehnung des Halbleiterkörpers normal zur Richtung des Primärstromes und des Magnetfeldes.