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Halbleiteranordnung für Demonstrationszwecke Die Erfindung betrifft
eine Halbleiteranordnung für Demonstrationszwecke.
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Im Vordergrund der wissenschaftlichen Fragestellung der Physiker stehen
ebenso wie in einem bedeutsamen Teilbereich der Elektronik die elektrischen Leitungsvorgänge
in Halbleitern. Schon seit einigen Jahren bestehen Bemühungen, die wichtigste technische
Anwendungsform der Halbleiter, die Transistoren, zu Lehrzwecken zu demonstrieren.
Inzwischen sind bereits verschiedene Schaltbretter zur Verwendung von Transistoren
bekanntgeworden. Es fehlte bisher jedoch die Möglichkeit, die entscheidenden physikalischen
Vorgänge für die Funktion einer Kristalldiode bzw. einer Kristalltriode (Transistor)
verständlich zu machen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zu schaffen, mit deren Hilfe die Vorgänge in Halbleitern demonstriert werden können,
d. h. durch welche das Vorhandensein eines p-n-Überganges ermittelt, anschließend
durch theoretische überlegungungen die Richtwirkung abgeleitet und im Experiment
bestätigt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet
durch einen Plattenkörper, welcher aus zwei an einem p-n-Übergang aneinandergrenzenden,
jeweils in sich einheitlichen Plattenhälften von entgegengesetztem Leitungstypus
besteht, wobei beiderseits des p-n-Überganges und an den gegenüberliegenden Seiten
des Plattenkörpers Stromzuführungselektroden und an den anderen Seiten der Plattenhälften
Abnahmeelektroden für eine Hallspannungsmessung angeordnet sind. Die eine der "beiden
Plattenhälften soll also z. B. p-leitend, die andere dementsprechend n-leitend sein.
Längs der Trennungslinie liegt der p-n-Übergang, der als konti, nuierlicher Übergang
vom p-leitenden zum n-leitenden Zustand in sich nicht einheitlich sein kann.
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Jede der beiden in sich einheitlichen Plattenhälften soll derart mit
geeigneten Kontaktanschlüssen versehen sein, daß der Leitungstypus durch Halleffektmessungen
ermittelt werden kann. Jeweils ein Kontaktanschluß jeder Plattenhälfte soll dabei
dem p-n-Übergang so nahe liegen, daß er zusammen mit dem entsprechenden Kontakt
der anderen Seite zur Untersuchung des p-n-Überganges selbst herangezogen werden
kann.
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Wird der elektrisch auf Sperrung beanspruchte p-n-Übergang belichtet,
so daß in dieser an Ladungsträgern verarmten Zone neue Ladungsträger freigesetzt
werden, so wird der p-n-Übergang wieder leitend.
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Durch die Zusammenfassung dieser Phänomene kann mit der erfindungsgemäßen
Anordnung auf elementarer Ebene Verständnis für die Wirkungsweise eines Transistors
gewonnen werden, der ja aus einer geeigneten Kombination eines p-n-Überganges mit
einem n-p-Übergang besteht, wobei aus dem leitenden Übergang Ladungsträger in den
gesperrten Übergang diffundieren und letzteren leitend machen.
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Wenn man ein flächenhaftes, stromleitendes Gebiet mit Abnahmeelektroden
für eine Hallspannung kontaktiert, so ist es üblich, die eine der beiden Elektroden
in zwei aufzuteilen, zwischen denen mit Hilfe eines angeschlossenen Potentiometers
der elektrische Symmetriepunkt verschoben werden kann. Diese bekannte Anordnung
bereitet bei der Kontaktierung des -geschilderten Halbleiterelementes - aus räumlichen
Gründen gewisse Schwierigkeiten. Der verfügbare Raum auf jeder in sich einheitlichen
Plattenhälfte ist aus wirtschaftlichen und technischen Gründen so begrenzt, daß
die beiden voneinander getrennten Kontaktpunkte nicht ohne Schwierigkeiten angebracht
werden können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die dem
p-n-übergang abgewandte Zu- ; führungselektrode für den Querstrom in zwei Zuführungselektroden
aufgeteilt ist, zwischen denen wiederum ein Potentiometer angeschlossen ist, wobei
der Querstrom über den Schleifer eingespeist und eine Symmetrierung der Halbelektroden
durch Änderung der Querstromverteilung innerhalb des Halbleiterelementes erreicht
wird. Diese bei richtiger Dimensionierung des Potentiometers überaus wirksame Maßnahme
hat zudem noch den Vorteil, daß infolge des Fehlens beweglicher Potentiometerkontakte
keine störenden veränderlichen Kontakt- bzw. Thermospannungen auftreten können.
Es kann außerdem zweckmäßig sein, in den auf Sperrung vorgespannten p-n-Übergang,
insbesondere durch Belichtung des p-n-Überganges neue elektrische Ladungsträger
hineinzubringen. Die freie Zugänglichkeit der Anordnung gestattet- dies ohne weiteres.
In
der Zeichnung ist eine Halbleiterdemonstrationsanordnung gemäß der Erfindung schematisch
wiedergegeben. Man erkennt eine Halbleiteranordnung 1 in Form zweier nebeneinanderliegender,
durch eine Übergangszone (p n-Übergang) 11 getrennter, einheitlicher Plattenhälften
2, 3, auf denen geteilte Zuführungselektroden 211, 212 und 311, 312 für den Querstrom
sowie diesen gegenüberliegende Elektroden 21, 31 mit Kontaktanschlüssen 210, 310
angebracht sind. Zwischen den geteilten Zuführungselektroden 211, 212 und 311, 312
sind Potentiometer 213, 313 mit Schleifern 214, 314 und Kontaktanschlüssen 215,
315 eingeschaltet. Jede Plattenhälfte 2, 3 weist außerdem je zwei Abnahmeelektroden
22, 23 und 32; 33 für die Hallspannung mit Kontaktanschlüssen 220, 230, 320, 330
auf. Der p-n-Übergang 11 kann ferner mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung belichtet
werden.
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Die Halbleiteranordnung 1 kann gemäß einer" Weiterbildung der.Erfindung
aus einem halbleitenden Einkristall bestehen, welcher während seines Herstellungsprozesses
im Leitungstypus geändert wurde. Vorzugsweise wird als Halbleiter ein Germanium-Einkristall
verwendet, dessen Dotierung für beide Leitungstypen so hoch gewählt wird, daß Oberflächeneffekte
für den gesamten Stromfluß innerhalb des p-n-Überganges nur von untergeordneter
Bedeu-_ tung sind.
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Die didaktische Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung
ist die folgende: Es wird zunächst gezeigt, daß die beiden Plattenhälften einen
Halleffekt mit Vorzeichenwechsel besitzen, folglich also auf der einen Seite p-,
auf der anderen Seite n-leitend sein müssen. Daraus kann abgeleitet werden, daß
die Ladungsträgerkonzentrationen der beiden Trägertypen in der Nähe des p-n-Überganges
11 vom vollen konstanten Wert ziemlich plötzlich auf Null heruntergehen. Eine solche
Ladungsträgerverteilung muß auf ein angelegtes elektrisches Feld vorzeichenabhängig
reagieren: Wenn die beiden Ladungsträgergebiete durch das angelegte elektrische
Feld aufeinanderzu bewegt werden, so wird kein auffälliger Effekt beobachtet. Sobald
durch das angelegte Feld die beiden Konzentrationsflanken sich gegenseitig voll
durchdrungen hangen, wird ein einheitliches hohes elektrisches Leitvermögen der
Anordnung festgestellt. Wenn aber durch das angelegte Feld die beiden Trägerwolken
voneinander weggetrieben werden, so entsteht zwischen beiden ein trägerverarmtes,
elektrisch isolierendes Gebiet: Die ganze Anordnung wird in grober Vereinfachung
zum Isolator. Auf diese Weise wird die physikalische Funktion einer Kristalldiode
bzw. eines Trockengleichrichters verständlich. Bringt man nun in den auf Sperrung
vorgespannten p-n-Übergang 11 neue elektrische Ladungsträger hinein, so muß der
isolierende Zustand wiederum in den leitenden übergehen. Nach dem gemachten Vorschlag
sollen diese Ladungsträger durch Belichten des p-n-Überganges 11 erzeugt werden.
Erfahrungsgemäß kann hierdurch eine Vervielfachung des schwachen, auch in Sperrichtung
fließenden Stromes erzielt werden. Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung erlaubt
im Gegensatz zu anderen Halbleiteranordnungen, die zum einwandfreien Funktionieren
völlig eingekapselt und gegen Lichtzutritt abgeschlossen sein müssen, durch ihre
freie Anordnung eine optische Untersuchung, wobei hierunter nicht nur die reine
Betrachtung, sondern auch die optische Untersuchung physikalischer Art (z. B. Feststellung
der Abhängigkeit der Sperrleitung von der Beleuchtungsstärke und/oder Lichtwellenlänge)
verstanden wird.