DE1041165B - Fadenhalbleiteranordnung mit zwei sperrfreien Basisanschluessen an den Fadenenden - Google Patents

Fadenhalbleiteranordnung mit zwei sperrfreien Basisanschluessen an den Fadenenden

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DE1041165B
DE1041165B DES49068A DES0049068A DE1041165B DE 1041165 B DE1041165 B DE 1041165B DE S49068 A DES49068 A DE S49068A DE S0049068 A DES0049068 A DE S0049068A DE 1041165 B DE1041165 B DE 1041165B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft eine Fadenhalbleiteranordnung mit zwei sperrfreien Basisanschlüssen an den Fadenenden, die sich auf verschiedenem Potential befinden, und mindestens einem sperrenden oder gleichrichtenden Emitteranschluß zwischen, aber entfernt von den Basisanschlüssen sowie gegebenenfalls einer oder mehreren sperrenden oder gleichrichtenden Kollektoranschlüssen.
Fadenhalbleiteranordnungen, die aus einem halbleitenden Körper, insbesondere aus einem Einkristall bestehen, an dessen Enden bzw. gegenüberliegenden Seiten sperrfreie Basiselektroden angebracht sind und auf dessen Oberfläche zwischen den Basiselektroden mindestens eine sperrende oder gleichrichtende Emitterelektrode sowie gegebenenfalls eine oder mehrere sperrende oder gleichrichtende Kollektorelektroden angebracht sind, sind an sich bekannt. Diese Anordnungen werden beispielsweise als Schaltelemente für Stromkreise verwendet. Die Steuerung erfolgte dabei bisher vom Emitter -her durch Injektion von Minoritätsträgern, d. h. durch Strombeeinflussung des Halbleiters. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei einer Fadenhalbleiteranordnung den elektrischen Schaltvorgang ohne direkte Strombeeinflussung des Halbleiters auszulösen bzw. zu steuern.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß elektrische und/oder magnetische Felder elektrodenfrei an den Halbleiter angelegt sind und diesen mindestens teilweise derart durchsetzen, daß das Einschalten bzw. Verändern der Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes eine Verlagerung der zwischen den beiden Basisanschlüseen verlaufenden elektrischen Äquipotentialflächen zur Folge hat. Zweckmäßigerweise ist der Emitter an eine derartige elektrische Vorspannung gelegt, welche dicht unter der Kippspannung liegt, während das Halbleitermaterial entweder hohe Beweglichkeit der Majoritäts- und/oder Minoritätsladungsträger aufweist oder eine geringe Trägerdidhte, vorzugsweise eine Störstellendichte, mindestens eine Größenordnung über der Eigenleitung besitzt.
Die Verwendung von Magnetfeldern bei Halbleitern und Transistoren ist an sich bekannt, beispielsweise bei den Hochfrequenzflächentransistoren. Bei diesen ist zur Verringerung von sogenannten Laufzeiteffekten und zur Herabsetzung des relativ hohen Basiselektrodenwiderstandes die Mittelzone sehr schmal ausgebildet. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß mit Hilfe einer zwischen einer zusätzlich angebrachten Hilfsbasiselektrode und der Basiselektrode angelegten Vorspannung ein Querstrom durch die Basiszone zu fließen veranlaßt wird, wodurch die wirksame Steuerlektrodenfläche verkleinert wird. Weiterhin kann die Laufzeit der beweglichen Ladung Fadenhalbleiteranordnung mit zwei
sperrfreien Basisanschlüssen
an den Fadenenden
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München
München 2, Witteisbacherplatz 2
Dr. Karl Siebertz, München,
ist als Erfinder genannt worden
von der restlichen aktiven Fläche der Emitterverbindung verringert werden, indem ein Magnetfeld senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Steuerelektrode und Sammelelektrode und zum Strom angelegt wird, der in der Basiszone zwischen Hauptbasiselektrode und Hilfsbasiselektrode fließt. Das Magnetfeld bringt eine Halleffekt wirkung des zwischen Hauptbasis- und Hilfsbasiselektrode fließenden Querstromes hervor und beschleunigt so den Übergang der an der Emitterverbindung entstehenden beweglichen Ladung zum Kollektorkontakt. Die Aufgabe des Magnetfeldes bei einem Hochfrequenzflächentransistor ist demnach eine andere als bei der Faderihalbleiteranordnung gemäß der Erfindung, bei der das Magnetfeld zur kontaktlosen Steuerung verwendet wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Halbleiterkristall ganz oder teilweise bandförmig ausgebildet ist und daß das elektrische und/oder magnetische Feld derart zu dem Halbleiterkristall orientiert ist, daß die Kraftlinien die Bandebene senkrecht oder annähernd senkrecht durchsetzen. Fernerhin ist vorgesehen, daß der Teil des p-n^Uberganges, der der Basiselektrode, zu der der Stromdurchbruch erfolgt, am nächsten liegt, an der gleichen Seite des Fadens angeordnet ist, an der die Verschiebung der Äquipotentialflächen am größten ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.
«09 658/334
In der Zeichnung ist ein mit η bezeichneter Halbleiterkörper dargestellt, welcher als η-leitend vorausgesetzt ist. Er weist eine bandartige Form auf, d. h., daß er gegenüber der senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Dicke des Kristalls von verhältnismäßig großer Länge und Breite ist. Zu beiden Seiten ist er mit sperrfreien Elektroden B1 und B2 versehen. An der einen Schmalseite in der Figur links trägt er einen sperrenden Kontakt, wie er in bekannter Weise bei Fadendioden beispielsweise in Form eines p-n-Überganges angeordnet ist, der gegenüber der Basiselektrode ΒΛ ein so hohes positives Potential hat, daß ein Stromdurchbruch gerade noch vermieden wird. Das Halbleitermaterial soll so gewählt sein, daß die Minoritätsträger eine nicht zu kleine Lebensdauer aufweisen. Es ist ferner zu beachten, daß das Halbleitermaterial eine verhältnismäßig geringe Eigenleitung gegenüber der Störstellenleitung aufweist, wobei die Störstellendichte vorzugsweise mindestens eine Größenordnung über der Trägerdichte der Eigenleitung liegen soll. Wesentlich ist. daß das Halbleitermaterial die Erscheinungen des Halleffektes aufweist, d. h., daß beim Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zur Fläche der Fadendiode bei Stromfluß zwischen den Basisanschlüssen an den beiden nicht von der Basis kontaktierten Seiten eine Spannung, die sogenannte HaIlspanmmg, auftritt. Senkrecht zur Fläche der Fadendiode. d. h. senkrecht zur Zeichenebene, wird nun ein Magnetfeld geeigneter Größe Sy angelegt. Bei Einschalten des Magnetfeldes erfolgt ein Stromdurchbruch zwischen der Emitterelektrode und der Basis .O1. Die Wirkungsweise dieser Anordnung beruht im wesentlichen auf folgenden physikalischen Vorgängen:
Bei einem Stromfluß zwischen den Basiselektroden B2 und B1 liegen die ausgezogen gezeichneten Äquipotentialflächen im wesentlichen senkrecht zur Scheibchenachse, die in der Abbildung mit c bezeichnet ist. Legt man nun, wie vorher beschrieben, das Magnetfeld Q an, so daß die Hallspann-ung auf der Seite der Emitterelektrode D einen negativen Wert erhält, so werden die Äquipotentiallinien sdhräg gestellt, so daß sie die gestrichelt gezeichnete Form annehmen. Sie werden durch die auftretende Hallspannung in solcher Weise verschoben, daß der Stromdurchbruch erleichtert bzw. ermöglicht wird. Bei festgehaltener Vorspannung der Emitterelektrode D wird das Potential in dem Halbleiterkristall auf der Höhe von D so weit abgesenkt, daß der p-n-Übergang den Stromdurchbruch ermöglicht. Als Folge davon werden Minoritätsträger (in dem Ausführungsbeispiel Defektelektronen) in das Sdheibchen einfließen und den zwischen D und B1 liegenden Bereich der Kristalldiode niederohmig machen. Dadurch wird das Potential des Kristalls bei D weiter abgesenkt, und der Flußstrom durch D zur Basiselektrode B2 steigt lawinenartig an. Die Hallfadendiode ermöglicht somit den Stromdurchbruch in Flußrichtung.
Für die Anwendung einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung gibt es verschiedene Schaltungsmöglichkeiten. Es kann beispielsweise die Zuleitung der Emitterelektrode mit einem Vorwiderstand versehen werden. Bei entsprechender Bemessung hat dies zur Folge, daß der Stromfluß im Kristall nach Abschalten des Magnetfeldes aufhört. Diese Anordnung möge als monostabile Schaltung bezeichnet werden.
Wenn ohne Vorwiderstand gearbeitet wird, bleibt im allgemeinen bei Abschaltung des Magnetfeldes der Stromfluß in der Kristalldiode weiter bestehen; in diesem Fall arbeitet die Anordnung bistabil. Die Abschaltung des Stromes muß durch besondere Mittel bewerkstelligt werden. Entweder kann z. B. ein dem ursprünglich angelegten Magnetfeld entgegengesetztes Feld verwendet werden, oder der ursprüngliche Ruhestromzustand kann durch eine äußere Spannungsänderung, beispielsweise am Emitter, wieder erreicht werden; auch eine Unterbrechung des Stromkreises der Basisanschlüsse ist möglich. Bei Vorhandensein eines Vorschaltwiderstandes wird das Schalten in Flußrichtung erschwert und andererseits das Zurückschalten in die Sperrichtung erleichtert. Um diese Wirkung des Vorschaltwiderstandes zu mindern oder sogar umzukehren, wird der Vorwiderstand gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens so gewählt, daß sein Ohmwert von der Stärke des angelegten Magnetfeldes abhängig ist, z. B. dadurch, daß er selbst aus halbleitendem Material, insbesondere einer Ill-V-Verbindung, besteht.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß auf einer oder zu beiden Seiten der Kristallscheibe Ferritscheibchen oder Eisenscheibchen angebracht werden. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, diese Scheibchen gegenüber dem Halbleiter zu isolieren. Diese Scheibchen dienen dazu, um die mechanische Festigkeit des Kristalls zu erhöhen und um das Magnetfeld zu verstärken.
Eine besonders günstige Anwendung der Anordnung gemäß der Erfindung besteht in der Beeinflussung eines elektrischen Kreises mittels einer mechanischen Bewegung. Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß ein permanenter Magnet an einem mechanischen Träger über den Halbleiterkörper geführt und damit dieser einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt wird. Ist die Einwirkung des magnetischen Feldes stark genug, d. h. ist der Magnetpol nahe genug an den Halbleiter herangebracht, dann erfolgt bei entsprechender Vorspannung des Emitters ein Durchbruch des Stromes. Besonders günstig erweisen sich Anordnungen gemäß der Erfindung zur Selbsterregung oder zur Entdämpfung von mechanischen und/oder elektrischen Schwingungssystemen. Solche werden beispielsweise für Unruhen oder Pendel von elektrisch geschalteten Uhren benötigt. Eine andere Anwendungsmöglichkeit der Anordnung gemäß der Erfindung be- steht in der Verwendung als Speicherglied oder zur Steuerung elektrisch betriebener Maschinen.
Auch kann die Steuerung mittels magnetischer und/ oder elektrischer Felder gemäß der Erfindung mit der Trägerinjektionssteuerung gemäß den genannten Vorschlagen oder auch den bekannten Anordnungen kombiniert angewendet werden. Insbesondere ist es möglich, statt eines Emitters mehrere Emitter vorzusehen und/oder gegebenenfalls auch noch Kollektoren an geeigneten Stellen der Oberfläche anzuordnen. Weitere Abwandlungen des Ausführungsbeispiels bestehen darin, daß die Kraftlinien des Steuerfeldes bzw. der Steuerfelder den Halbleiterkristall nur an gewissen, gegebenenfalls variablen Stellen durchsetzen oder daß mehrere einzelne Halbleiterkristalle miteinander kombiniert sind, von denen nur ein Teil der Feldsteuerung ausgesetzt ist. Es sei schließlich noch erwähnt, daß die Feldsteuerung nicht nur für Schaltzwecke, sondern auch für Verstärkerzwecke ausnutzbar ist.
Bezüglich der Anwendung der Erfindung ist zu sagen, daß sie praktisch überall da mit Vorteil anwendbar ist, wo bisher Relais verwendet wurden, so z. B. auch in der Wählertechnik, insbesondere in Kreuzschienenwählersystemen, bei welchen bisher Kontaktrelais benutzt worden sind. Auch in der Uhrentechnik ist die Anwendung bedeutungsvoll, be-

Claims (10)

sonders für die kontaktfreie Steuerung eines mechanischen Systems durch eine Unruhe, ein Pendel oder eine sonstige frequenzbestimmende Anordnung. PaTENTAXSPRCCHE:
1. Fadenhalbleiteranordnung mit zwei sperrfreien Basisanschlüssen an den Fadenenden, die sich auf verschiedenem Potential befinden, und mindestens einem sperrenden oder gleichrichtenden Emitteranschluß zwischen, aber entfernt von den Basisanschlüssen, sowie gegebenenfalls einem oder mehreren sperrenden oder gleichrichtenden Kollektoranschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische und/oder magnetische Felder elektrodenfrei an den Halbleiter angelegt sind und diesen mindestens teilweise derart durchsetzen, d:aß das Einschalten bzw. Verändern der Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes eine Verlagerung der zwischen den beiden Basisanschlüssen verlaufenden elektrischen Äquipotentialflächen zur Folge hat.
2. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter an eine derartige elektrische Vorspannung gelegt ist, welche dicht unter der Kippspannung liegt.
3. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial hohe Beweglichkeit der Majoritäts- und/oder Minoritätsladungsträger besitzt.
4. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine geringe Trägerdichte, vorzugsweise eine Störstellendichte, mindestens eine Größenordnung über der Eigenleitung, besitzt.
5. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall ganz oder teilweise bandförmig ausgebildet ist und das elektrische und/ oder magnetische Feld derart zu dem Halbleiterkristall orientiert ist, daß die Kraftlinien die Bandebene senkrecht oder annähernd senkrecht durchsetzen.
6. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des ρ-n^Überganges, der der Basiselektrode, zu der der Stromdurchbruch erfolgt, am nächsten liegt, an der gleichen Seite des Fadens angeordnet ist, an der die Verschiebung der Äquipotentialflächen am größten ist.
7. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeidhnet durch einen Vorwiderstand in der Zuleitung des Emitters, der so bemessen ist, daß bei Abschalten des Magnetfeldes der Stromfluß vom Emitter zur Basis selbsttätig unterbrochen wird.
8. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten des Magnetfeldes der Stromfluß bestehenbleibt.
9. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeidhnet, daß durch ein dem Steuerfeld entgegengesetztes Feld oder durch eine äußere Spannungsänderung die Anordnung in den Sperrzustand zurückgeschaltet wird.
10. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder zwei Ferritscheiben oder Eisenscheibchen, die auf den bandförmigen Halbleiterscheibchen isoliert befestigt sind, die mechanische Verstärkung des Halbleiterscheibchens und/oder die Erhöhung der magnetischen Feldstärken des angelegten Magnetfeldes bewirken.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 066 306,
163, 1 109 408;
R. L. Shea, »Principles of transistor circenits«,
1953, Kapitel 21, S. 453 bis 484.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
©309658/334 10.58
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