DE1047947B

DE1047947B - Gleichrichtende oder verstaerkende Halbleiteranordnung mit durch ein aeusseres elektrisches und/oder magnetisches Feld veraenderlichem Widerstand

Info

Publication number: DE1047947B
Application number: DES36402A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-11-19
Filing date: 1953-11-19
Publication date: 1958-12-31

Description

Gleichrichtende oder verstärkende Halbleiteranordnung mit durch ein äußeres elektrisches und/oder magnetisches Feld veränderlichem Widerstand Es ist bekannt, daß sich der Ohmsche Widerstand von Halbleitern in einem magnetischen Feld ändert.
Dieser Effekt ist besonders dann beachtlich, wenn der Halbleiter eine große Ladungsträgerbeweglichkeit besitzt und die bis zur Rekombination führende freie Weglänge der Ladungsträger groß ist. Man hat auch bereits versucht, diesen Effekt dazu auszunutzen, gewisse Vorgänge im Halbleiter durch ein äußerlich angelegtes Magnetfeld zu steuern.
Es läßt sich eine gegenüber dem Bekannten erheblich vergrößerte Beeinflussung der elektrischen Vorgänge bei bestimmten Halbleiteranordnungen erreichen. Die Erfindung bezieht sich daher auf eine gleichrichtende oder verstärkende Halbleiteranordnung, die von einem äußeren elektrischen und/oder magnetiscllen Feld durchdrungen ist, mit in Abhängigkeit von dem äußeren Feld, z. B. auf Grund des Thomsoneffektes, veränderlichem Widerstand. Die Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterkörper aus mindestens drei Zonen besteht, deren mittlere einen anderen Leitfähigkeitstyp als die beiden angrenzenden Zonen besitzt und eine Dicke aufweist, die von der Größenordnung der mittleren Diffusionslänge der Ladungsträger ist.
Der Sinn der Erfindung sei durch die folgende Betrachtung erläutert. Die bekannte Maßnahme zur Veränderung des Ohmschen Widerstandes von Halbleitern durch ein angelegtes magnetisches Feld beruht darauf, daß durch dieses Magnetfeld infolge des Halleffektes die effektive Weglänge verlängert wird. Bei der Anordnung nach der Erfindung liegen die Verhältnisse etwa so, wie sie in der Zeichnung skizziert sind. In der Zeichnung ist ein aus drei Zonen p,, n und p bestehender Halbleiter dargestellt. An der Zone p1 liegt die als Emitter wirkende Elektrode E, an der Zone p liegt die als Kellekter wirkende Elektrode C, und an der mittleren Zone n ist eine Basiselektrode B angeordnet, die geerdet ist. Die Dicke der Zone n ist mit d bezeichnet. Wenn an die beiden Elektroden E und C eine Spannung gelegt ist, fließen Elektronen aus der Zone p, durch die Zone n hindurch in die Zone P2 hinein, wenn die Voraussetzung erfüllt ist, daß d kleiner als die Diffusionslänge der Elektronen ist oder mindestens von der Größenordnung dieser Diffusionslänge ist. Der Elektronenstrom ist durch den Pfeil 1 angedeutet.
Werden nun die beiden Magnetspulen 2 und 3 von einem Strom durchflossen, so wird in der Zone n ein magnetisches Feld erzeugt, unter dessen Einwirkung die Elektronen eine gekrümmte, zykloidenartige Bahn beschreiben, die in der Zeichnung durch den Linienzug 4 angedeutet ist. Hierdurch wird die effektive Weglänge jedes Ladungsträgers durch die Zonen hindurch verlängert und infolgedessen die Anzahl der von der Zone P1 in die Zone P2 gelangenden Ladungsträger verringert; d. h., der Ohmsche Widerstand der gesamten Anordnung wird vergrößert. Die Anzahl z der durch die Zone n der Dicke d hindurch gelangenden Ladungsträger berechnet sich nach der Formel wobei Z0 die Anzahl derjenigen Ladungsträger bedeutet, welche die Zone n ohne Vorhandensein eines Magnetfeldes durchdringen. Die Größe deff bedeutet die effektive Diffusionslänge der Ladungsträger im Magnetfeld. Berücksichtigt man nun, daß der spezifische Widerstand Q des Halbleiters proportional lyf ist, so folgt, daß der Widerstand R der Anordnung im Magnetfeld sich nach der Formel R = Ro exp K (QQ0) berechnet, in der Ro den Widerstand der Halbleiteranordnung bei Abwesenheit eines Magnetfeldes bedeutet. Die Größer enthält dabei Materialkonstanten und ist überdies der Dicke d proportional, Q gefügt der Gleichung Q = Q0 (1 +KH2) .
Dabei bedeutet Q0 den spezifischen Widerstand ohne Magnetfeld und K den Koeffizienten der magnetischen Widerstandsänderung. Aus der obigen Formel für R ist zu ersehen, daß der Widerstand der Halbleiteranordnung nach der Erfindung in exponentiell er Abhängigkeit vom Magnetfeld steht, während sich der Widerstand eines Halbleiters ohne pn-tSbergänge nach den bekannten Anordnungen nur proportional dem Quadrat der Feldstärke ändert.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens läßt sich das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel in mannigfacher Weise abändern und der durch die Erfindung erzielte Fortschritt noch durch besondere Maßnahmen steigern. Bei der vorangehenden Erörterung war nur in Betracht gezogen, daß die Länge d der mittleren Leitfähigkeitszone von der Größenordnung der Diffusionslänge der Ladungsträger ist. Da die Halbleiteranordnung einen gesamten Ohmschen Widerstand besitzt, welcher exponentiell von der Dicke d abhängt, kann man durch Wahl der Dicke d in Abhängigkeit vom verwendeten Halbleitermaterial und dessen elektrischen Eigenschaften, insbesondere seinem Bandabstand und seiner magnetischen Permeabilität, besondere, gewünschte Formen der Abhängigkeit des Widerstandes vom angelegten Magnetfeld erzielen. Insbesondere kann beispielsweise durch diese Maßnahme der Erfindung eine besondere Steilheit und damit ein hoher Verstärkungsfaktor erreicht werden. Der Arbeitspunkt für die Veränderung des Magnetfeldes kann jedoch auch an andere Stellen der Abhängiglreitskurve gelegt werden, wodurch man beispielsweise einen hohen Grad von Linearität oder Nichtlinearität erhalten kann. Es lassen sich auf diese Weise Anordnungen vom Typ eines A-Verstärkers oder eines B-Verstärkers herstellen.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens werden besondere vorteilhafte Wirkungen dadurch erzielt, daß Halbleitermaterial mit möglichst groß er Beweglichkeit, infolgedessen auch möglichst großer Diffusionslänge der Ladungsträger verwendet werden, wie sie beispielsweise durch Legierungen von Elementen der III. und V. oder der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems gewonnen werden. Als besonders geeignet hat sich z. B. Indium-Antimon erwiesen.
Außerdem ist bei der Auswahl der Substanzen nach Möglichkeit auf einen hohen Bandabstand Wert zu legen. Im übrigen sind aber auch bereits Halbleiter, wie z. B. Silizium oder Germanium, mit Vorteil zu verwenden. Da gerade die Halbleiter mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit einen verhältnismäßig großen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzen, ist es gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, mindestens bei diesen Substanzen die Halbleiteranordnung beispielsweise durch Kühlung auf einer möglichst gleichbleibenden Temperatur zu halten, um die durch die Rekombinationen entstehende Erwärmung wieder auszugleichen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der Abbildung kann dadurch abgeändert werden, daß die Zonen positiver und negativer Leitfähigkeit miteinander vertauscht sind. Unter Umständen können aber auch entweder die mittlere Zone oder die beiden äußeren Zonen Eigenleitfähigkeitszonen sein, welche überhaupt keine Störstellen aufweisen, oder bei denen sich die Donatoren und Akzeptoren gerade kompensieren.
Unter Umständen können auch mehrere pn- bzw. np-Übergänge bzw. Übergänge von Zonen eines Leitfähigkeitstyps zu einer oder mehreren Zonen anderen Leitfähiglitstyps hintereinander,eschaltet sein. Dabe: Können mehrere Elektroden, gegebenenfalls Steuere1,el'trnden, vorgesehen sein. Die Ilalbleiteranordnung nach der Erfindung kann entweder als Trallsistor oder Fototransistor mit mehreren Steuer- undioder Sollektorelektroden ausgebildet sein. Unter Um ständen kann aber auch die Basiselektrode in Fortfall kommen, so daß die Anordnung als reiner Richtleiter wirkt.
Was die Beeinflussung der effektiven Weglänge der Ladungsträger durch das Feld anlangt, liegt es im Rahmen der Erfindung, daß an Stelle des Magnetfeldes durch ein elektrisches Feld verwendet werden kann. Da ein elektrisches Feld allerdings nur dann wirksam ist, wenn es mindestens eine Komponente in Richtung des Ladungsträgerflusses und/oder des Verteilungsgradienten der Störstellen bzw. Raumladungen besitzt, ist es dabei weiter vorgesehen, besondere geometrische Lagen des Quergradienten der Verteilung der Störstellen (Donatoren, Akzeptoren, Haftstellen, Rekombinationszentren) bereits im Halbleiter selbst durch die Störstellenkonzentration und die geometrische Form der pn-Übergangsflächen vorzugeben. Die pn-Ubergangsflächen können gegebenenfalls schräg zueinander und/oder zur Oberfläche des Halbleiters orientiert sein oder auch besondere Krümmungen, etwa hohlspiegelartige Krümmungen, aufweisen. Von besonderer Bedeutung ist die Einwirkung der elektrischen Felder bei der Verwendung von Spitzen- oder Schneidenelektroden. Gegebenenfalls können auch mehrere Felder, elektrische und/oder magnetische Felder, beispielsweise als Longitudinal-und/oder Transversalfelder kombiniert verwendet werden. Durch Beachtung der Feldrichtung in ihrer geometrischen Lage zu den Übergangsflächen zwischen den Zonen verschiedener Leitfähigkeit sind bevorzugte Kennlinienformen für die Widerstandsänderung zu erzielen.
PTENTANSPROCHE: 1. Gleichrichtende oder verstärkende Halbleiteranordnung, die von einem äußeren elektrischen und/oder magnetischen Feld durchdrungen ist, mit in Abhängigkeit von dem äußeren Feld, z. B. auf Grund des Thomsoneffektes, veränderlichem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus mindestens drei Zonen besteht, deren mittlere einen anderen Leitfähigkeitstyp als die beiden angrenzenden Zonen besitzt und eine Dicke (d) aufweist, die von der Größenordnung der mittleren Diffusionslänge der Ladungsträger ist.

Claims

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Feld die mittlere Zone ganz oder teilweise durchdringt.

3. Haibleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Feld als Longitudinal- oder Transversalfeld ausgebildet ist und daß die Kraftlinien unter einem bestimmten, gegebenenfalls einstellbaren Winkel zu den flächenhaften pn-Übergängen verlaufen.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere verschiedene äußere Felder, gegebenenfalls elektrische und/oder magnetische Felder, kombiniert vorhanden sind.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge zur Halbleiteroberfläche bzw. zum angelegten elektrischen Feld schräg oder gekrümmt verlaufen.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Störstellen (Donatoren, Akzeptoren, Traps, Rekombinationszentren) einen Gradienten unter einem geeigneten Winkel zum elektrischen Feld und gegebenenfalls zur Halbleiteroberfläche besitzt.

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüchel bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Zonen mit mindestens je einer Emitter-bzw. Kollektorelektrode versehen sind.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die mittlere Zone bzw. die mittleren Zonen eine vorzugsweise geerdete Basiselektrode gelegt ist.

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einem Material extrem hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, vorzugsweise aus Elementen der IV. Gruppe oder Verbindungen von Elementen der III. und V. oder II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, besteht.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Indiumantimonid besteht.

11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der mittleren Zone derart abweichend von der mittleren Diffusionslänge der Ladungsträger bemessen ist, daß der Arbeitspunkt auf der Kennlinie des Widerstandes in Abhängigkeit vom angelegten Feld an einer gewünschten Stelle liegt.

12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter mindestens an den Stellen, an denen Rekombinationen bevorzugt auftreten, während des Betriebes gekühlt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 814487; USA.-Patentschriften Nr. 2 641 713, 2 588 254, 2 524 034; FTZ, Bd. 3, 1950, Nr. 10, S. 400; Electronics, Juli 1950, S. 82; Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 8 a, 1953, Nr.4, S. 248 bis 251; ETZ, Bd. 71, 1950, Nr. 6; Proc. IRE, Bd. 40, 1952, S. 1336.