DE1155519B

DE1155519B - Controllable resistor arrangement with a semiconductor system influenced by a magnetic field

Info

Publication number: DE1155519B
Application number: DES63593A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-06-24
Filing date: 1959-06-24
Publication date: 1963-10-10
Also published as: FR1262820A; CH385335A

Description

Steuerbare Widerstandsanordnung mit einem von einem Magnetfeld beeinflußten Halbleitersystem Es ist bekannt, Halbleiterkörper, insbesondere III-V-Verbindungen, wie InSb und InAs, aber auch 11-VI-Verbindungen, wie HgTe, im Einflußbereich von Magnetfeldern anzuordnen und die Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstandes von der Größe des Magnetfeldes zu Schalt- und Regelzwecken auszunutzen. Besonders günstig haben sich hierbei rotationssymmetrische Halbleiterkörper erwiesen, bei denen der Strom den Halbleiterkörper radial durchfließt. Mit Magnetsystemen, die ferromagnetische Kerne besitzen, lassen sich mit erträglichem Aufwand Luftspaltinduktionen bis etwa 15 000 Gauß erzielen. Hiermit erreicht man im günstigsten Fall eine Widerstandsänderung von etwa 1:50. Der Raumbedarf und auch die Kosten eines solchen Magnetsystems betragen ein Vielfaches des Halbleiterelementes. Bei größeren Halbleiterelementen kann das Volumenverhältnis von Halbleiter zu Magnetsystem einschließlich Wicklung bis 1 :1000 betragen. Der große Aufwand für die Erzeugung der magnetischen Induktion hat bisher in vielen Fällen der Verwendung derartiger steuerbarer Widerstandsanordnungen im Wege gestanden. Nur mit scheibenförmigen Bauelementen geringer Dicke und entsprechend engem Luftspalt war es bisher möglich, mit vertretbarem Aufwand eine technisch allgemein interessante Widerstandsänderung zu erzielen. Bei solchen Anordnungen ist die Stromzuführung zur Mittelelektrode konstruktiv schwierig und kostspielig.Controllable resistor arrangement with one influenced by a magnetic field Semiconductor system It is known to use semiconductor bodies, in particular III-V compounds, like InSb and InAs, but also 11-VI compounds like HgTe, in the area of influence of To arrange magnetic fields and the dependence of their electrical resistance on the size of the magnetic field for switching and control purposes. Very cheap have proven here rotationally symmetrical semiconductor bodies in which the Current flows through the semiconductor body radially. With magnet systems, the ferromagnetic Have cores, air gap inductions up to about Achieve 15,000 Gauss. In the best case scenario, this results in a change in resistance from about 1:50. The space requirement and also the costs of such a magnet system are a multiple of the semiconductor element. In the case of larger semiconductor elements, this can be Volume ratio of semiconductor to magnet system including winding up to 1: 1000 be. The great effort for the generation of the magnetic induction has so far in many cases the use of such controllable resistor arrangements in the Confessed ways. Only with disc-shaped components of small thickness and accordingly narrow air gap it was previously possible, with reasonable effort, a technically general to achieve an interesting change in resistance. In such arrangements, the power supply is to the center electrode structurally difficult and expensive.

Es ist weiterhin ein Halbleiterbauelement bekannt. dessen elektrischer Widerstand eine Funktion des ihn durchfließenden Stromes ist. Der Widerstand der Anordnung ist durch den Gaußeffekt im Halbleiter gesteuert, der durch das auf den Halbleiter rückgekoppelte, durch den die Anordnung durchfließenden Strom hervorgerufene Magnetfeld erzeugt und bestimmt ist. Die magnetische Widerstandsänderung ist hierbei ausschließlich durch das auf das durch den Halbleiterkörper rückgekoppelte Magnetfeld bestimmt. Der Einfluß der Rückkopplung nimmt also mit dem Strom durch den Halbleiterkörper zu. Hierauf beruht die Möglichkeit, Anordnungen mit negativer Charakteristik herzustellen und sie in Oszillatorschaltung zur Schwingungserzeugung auszunutzen.A semiconductor component is also known. its electric Resistance is a function of the current flowing through it. The resistance of the Arrangement is controlled by the Gaussian effect in the semiconductor, which is caused by the Semiconductor feedback caused by the current flowing through the arrangement Magnetic field is generated and determined. The change in magnetic resistance is here exclusively through the magnetic field fed back through the semiconductor body certainly. The influence of the feedback thus increases with the current through the semiconductor body to. This makes it possible to produce arrangements with negative characteristics and to use them in an oscillator circuit to generate oscillations.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Widerstandsanordnung mit einem von einem Magnetfeld beeinflußten Halbleitersystem mit eisenlosem Erregersystem zur Erzeugung der die Widerstandsänderung bewirkenden magnetischen Induktion. Erfindungsgemäß ist das Erregersystem zumindest teilweise auf einen vom Halbleiterstromkreis unabhängigen Stromkreis geschaltet und impulsgesteuert. Gegenüber dem obengenannten Halbleiterbauelement bewirkt die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung eine positive Widerstandscharakteristik. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt überwiegend auf dem Starkstromgebiet.The present invention relates to a controllable resistor arrangement with a semiconductor system influenced by a magnetic field with an ironless excitation system for generating the magnetic induction causing the change in resistance. According to the invention the excitation system is at least partially independent of the semiconductor circuit Circuit switched and pulse controlled. Compared to the semiconductor component mentioned above causes the resistor arrangement according to the invention a positive resistance characteristic. The field of application of the invention is predominantly in the heavy current field.

Dieses Anwendungsgebiet empfiehlt sich insbesondere deshalb, weil der den Halbleiterkörper durchfließende Strom im Impulsbetrieb innerhalb weniger Mikrosekunden herabgesetzt werden kann, wie dies z. B. bei Kurzschlußschaltungen-oft verlangt wird.This area of application is particularly recommended because the current flowing through the semiconductor body in pulse mode is less than a few Microseconds can be reduced, as z. B. in short-circuit circuits-often is required.

Weiterhin wird durch die erfindungsgemäßen Merkmale der bisher zur Erzielung einer technisch interessanten magnetischen Widerstandsänderung erforderliche Aufwand-. wesentlich herabgesetzt. Die Erfindung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, mit verhältnismäßig geringem Aufwand die Widerstandsänderung um etwa eine Größenordnung zu steigern.Furthermore, by the features according to the invention, the hitherto used Achieving a technically interesting change in magnetic resistance required Expenditure-. substantially reduced. The invention also offers the possibility the change in resistance by about an order of magnitude with relatively little effort to increase.

In der Zeichnung sind schematisch beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt; es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform; bei der Erreger- und Halbleitersystem axialsymmetrisch ausgebildet und auf derselben Achse mit gemeinsamer Mittelebene angeordnet sind, Fig. 2 und 3 Ausführungsformen, bei denen die Ausdehnung des Halbleitersystems in Richtung der Symmetrieachse in bezug auf das Erregersystem vergleichbar oder größer als der größte Durchmesser des Halbleitersystems ist.Exemplary embodiments are schematically shown in the drawing the invention shown; 1 shows an embodiment; in the pathogen and semiconductor system formed axially symmetrically and on the same axis with a common Central plane are arranged, Fig. 2 and 3 embodiments in which the expansion of the semiconductor system in the direction of the axis of symmetry with respect to the excitation system is comparable to or larger than the largest diameter of the semiconductor system.

In Fig. 1 a und 1 b bedeuten x und 2 Scheiben aus Indium-Antimonid mit den Innenelektroden 3 und 4. und einer gemeinsamen ringförmigen Außenelektrode 5, die zur Vermeidung von -WirbeIstrombildung geschlitzt ausgeführt ist. Zwischen den Scheiben befindet sich ein kreisförmiges Isolierplättchen 6. Konzentrisch zur Scheibe ist eine Erregerspule 7 angeordnet, deren Enden über eine Dreifach-Funkenstrecke 8 mit einem aufgeladenen Kondensator 9 verbunden sind (Fig. 1 c). Wird die Funkenstrecke 8 gezündet, so entlädt sich der Kondensator 9 über die Spule 7, wodurch sich in den Scheiben 1, 2 eine magnetische Querinduktion ergibt. Für den Scheibenmittelpunkt gilt die Beziehung: Hierin bedeuten 1 den Momentanwert des in der Spule 7 fließenden Stromes in Ampere, N die Windungszahl der Spule und d ihren mittleren Durchmesser in Zentimetern.In Fig. 1 a and 1 b, x and 2 denote disks made of indium antimonide with the inner electrodes 3 and 4 and a common annular outer electrode 5, which is designed to be slotted to avoid -WirbeIstrombildung. A circular insulating plate 6 is located between the disks. An excitation coil 7 is arranged concentrically to the disk, the ends of which are connected to a charged capacitor 9 via a triple spark gap 8 (FIG. 1 c). If the spark gap 8 is ignited, the capacitor 9 is discharged via the coil 7, which results in a magnetic transverse induction in the disks 1, 2. The following relationship applies to the center of the pane: Here, 1 denotes the instantaneous value of the current flowing in the coil 7 in amperes, N the number of turns of the coil and d its mean diameter in centimeters.

Nimmt man z. B. an, daß der Höchstwert des Stromes 4000A beträgt und N=50 ist, so ergibt sich bei einem mittleren Spulendurchmesser von d=2,5 cm eine Induktion im Mittelpunkt der Scheibe von rund 100 000 Gauß, d. h. eine Induktion, wie sie mit einem Magnetsystem mit Eisenkern mit vertretbarem Aufwand nicht erzeugt werden kann. Bei einer solchen Querinduktion beträgt die Widerstandsänderung ungefähr 1 : 300 bis 1 : 500 und mehr. Der weitere Vorteil besteht darin, daß bei genügend hoher Kondensatorspannung das Magnetfeld in sehr kurzen Zeiten, z. B. in Mikrosekunden, aufgebaut werden kann. Entscheidend dürfte weiterhin für sehr viele Fälle der Vorteil sein, daß der Raum- und Kostenaufwand für die Erzeugung des Magnetfeldes sehr gering ist.If you take z. B. suppose that the maximum value of the current is 4000A and N = 50, an average coil diameter of d = 2.5 cm results in a Induction at the center of the disk of around 100,000 Gauss, i.e. H. an induction, as it cannot be produced with a reasonable amount of effort with a magnet system with an iron core can be. With such a transverse induction, the change in resistance is approximately 1: 300 to 1: 500 and more. The other advantage is that if there is enough high capacitor voltage the magnetic field in very short times, z. B. in microseconds, can be built. In many cases, the decisive factor is still the advantage be that the space and costs for generating the magnetic field are very low is.

Bei dem Beispiel der Fig. 1 sind Erreger- und Halbleitersystem so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Achse A und Mittelebene M besitzen. Dies ist notwendig, da das Magnetfeld in einer Luftspule zwar rotationssymmetrisch ist, die Induktion jedoch in einem beliebigen Punkt noch von den Abständen von der Mittelebene und von der Achse abhängt; sie ist in der Mittelebene am größten und nimmt mit steigendem Abstand von der Achse ab. Die Widerstandsänderung einer Scheibe ist am größten, wenn das Magnetfeld rotationssymmetrisch ist.In the example of FIG. 1, the excitation and semiconductor systems are arranged so that they have a common axis A and central plane M. This is necessary because the magnetic field in an air-core coil is rotationally symmetrical, but the induction at any point still depends on the distances from the center plane and from the axis; it is greatest in the median plane and decreases with increasing distance from the axis. The change in resistance of a disk is greatest when the magnetic field is rotationally symmetrical.

Die Erfindung ermöglicht es, die Widerstandsanordnung so zu wählen, daß die Ausdehnung des Halbleitersystems in Richtung der Symmetrieachse in Bezug auf das Erregersystem vergleichbar oder größer als der größte Durchmesser des Halbleitersystems ist. Dies ist in den Beispielen der Fig. 2 und 3 dargestellt. Bei der bisher üblichen Verwendung von Magnetsystemen mit ferromagnetischen Kernen mit einem Luftspalt, der einem derartigen Halbleitersystem angepaßt ist, können wegen der unvermeidlichen Streuung nur verhältnismäßig geringe magnetische Induktionen und damit nur entsprechend geringe Widerstandsänderungen erreicht werden. Das Halbleitersystem der vorgenannten Art kann aus einem scheibenförmigen (Fig. 2 a) oder zylindrischen (Fig. 2 c) Körper oder auch aus mehreren Einzelkörpern, z. B. aus mehreren scheibenförmigen Körpern (Fig.2b) bestehen. Der letztere Fall kommt vor allem bei hohen Betriebsspannungen in Frage.The invention makes it possible to choose the resistor arrangement so that the expansion of the semiconductor system in the direction of the axis of symmetry in relation on the excitation system comparable to or larger than the largest diameter of the semiconductor system is. This is shown in the examples in FIGS. With the usual one Use of magnet systems with ferromagnetic cores with an air gap, which is adapted to such a semiconductor system, because of the inevitable Scatter only relatively small magnetic inductions and thus only correspondingly small changes in resistance can be achieved. The semiconductor system of the foregoing Kind can consist of a disc-shaped (Fig. 2 a) or cylindrical (Fig. 2 c) body or from several individual bodies, e.g. B. from several disc-shaped bodies (Fig.2b) exist. The latter case occurs especially at high operating voltages in question.

Fig. 3 zeigt als weiteres Beispiel eine Anordnung mit einem stabförmigen Halbleiterkörper 31 mit der inneren Elektrode 32 und der äußeren Elektrode 33. Der Halbleiterkörper befindet sich im Inneren einer langgestreckten Spule 34. Die Widerstandsänderung erfolgt durch Änderung der Erregung der Spule 34. Die Induktion in einer solchen Zylinderspule ist bekanntlich gegeben durch die Beziehung: wobei 1 die Länge der Spule in Zentimetern bedeutet. An Stelle eines massiven Halbleiters 31 kann auch eine größere Zahl von Doppelscheiben, ähnlich wie sie in Fig. 2b angegeben sind, verwendet werden. Werden in einer Anordnung gemäß Fig. 1 a entweder die Wicklung 7 oder die Scheiben 1, 2 um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse drehbar angeordnet, so kann die Widerstandsanordnung außer elektrisch auch geometrisch-mechanisch beeinflußt werden. Entsprechend kann dies bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 erreicht werden, wenn der Halbleiterkörper relativ zum Erregersystem translatorisch verstellbar angeordnet ist.As a further example, FIG. 3 shows an arrangement with a rod-shaped semiconductor body 31 with the inner electrode 32 and the outer electrode 33. The semiconductor body is located inside an elongated coil 34. The change in resistance takes place by changing the excitation of the coil 34. The induction in such a solenoid is known to be given by the relationship: where 1 is the length of the coil in centimeters. Instead of a solid semiconductor 31, it is also possible to use a larger number of double disks, similar to those indicated in FIG. 2b. If, in an arrangement according to FIG. 1a, either the winding 7 or the disks 1, 2 are arranged to be rotatable about an axis perpendicular to the plane of the drawing, the resistor arrangement can be influenced not only electrically but also geometrically and mechanically. Correspondingly, this can be achieved with an arrangement according to FIG. 3 when the semiconductor body is arranged so as to be translationally adjustable relative to the excitation system.

Außer den beschriebenen und dargestellten steuerbaren Widerstandsanordnungen sind noch mannigfache andere Ausführungsformen der Erfindung möglich. So kann z. B. die Erregerwicklung mit einer Wechselspannung, auch hoher Frequenz, gespeist werden. Wird hierbei die Scheibe an eine Gleichspannung gelegt, so entsteht ein Wellenstrom. Fließt durch die Scheibe ein Wechselstrom, so können Gleichrichter- und Interferenzeffekte erzielt werden.Except for the controllable resistor arrangements described and illustrated manifold other embodiments of the invention are possible. So z. B. the excitation winding with an alternating voltage, also high frequency, fed will. If the disk is connected to a direct voltage, a Wave current. If an alternating current flows through the pane, rectifier and interference effects can be achieved.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Controllable resistor arrangement with one of a magnetic field influenced semiconductor system with an ironless excitation system Generation of the magnetic induction causing the change in resistance, thereby characterized in that the excitation system at least partially on one of the semiconductor circuit independent circuit and pulse-controlled.

2. Controllable resistor arrangement according to claim 1, characterized in that the ironless excitation system and the Semiconductor system formed axially symmetrically and arranged on the same axis are.

3. Controllable resistor arrangement according to claim 2, characterized in that that the arrangement is chosen so that the central planes of the semiconductor and excitation system coincide.

4. Controllable resistor arrangement according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the extension of the semiconductor system in the direction of the axis of symmetry is comparable to or larger than the largest diameter of the semiconductor system.

5. Controllable resistor arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that that the semiconductor system consists of a single semiconductor body.

6. Controllable Resistor arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the semiconductor system composed of several disk-shaped semiconductor bodies is.

7. Controllable resistor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse control using a capacitor as Impulse current source and a triple spark gap is effected as switching means, preferably with such dimensions, that during the discharge of the capacitor builds up the magnetic field in microseconds. B.

Controllable resistor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit is chosen so that the current to be controlled by the change in resistance is at least is partially used to supply the excitation system.

9. Controllable resistor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor system and the excitation system are arranged adjustable relative to each other ..

10. Controllable Resistor arrangement according to Claim 9, characterized in that the semiconductor system is designed disc-shaped and rotatably arranged relative to the excitation system.

11. Controllable resistor arrangement according to claim 9, characterized in that the semiconductor system is rod-shaped and translational relative to the excitation system is arranged adjustable. Publications considered: German Auslegeschrift No. 1054 543; U.S. Patent No. 2,550,492.