DE1246897B

DE1246897B - Elektronische Festkoerperanordnung

Info

Publication number: DE1246897B
Application number: DEJ18572A
Authority: DE
Inventors: William Shockley
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1959-09-09
Filing date: 1960-08-13
Publication date: 1967-08-10
Also published as: GB937241A

Description

DEUTSCHES ^ßTT^S PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-35

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1246 897

Aktenzeichen: J 18572 VIII c/21 g

J 246 897 Anmeldetag: 13.August 1960

Auslegetag: 10. August 1967

In Daten verarbeitenden Systemen, speziell in solchen, bei denen das Signal des Aufnehmerelementes verhältnismäßig klein ist, erweist es sich oft als notwendig, die Zuführungen, die dieQuelle mit demDaten verarbeitenden System verbinden, von Masse zu isolieren. Wenn beispielsweise die Daten von verschiedenen Aufnehmerelementen, beispielsweise Thermoelementen oder Dehnungsmeßstreifen, welche relativ kleine Spannungen in der Größe von einigen Mikrovolt liefern, getrennt an ein Daten registrierendes System angeschaltet werden, ist es störend, wenn dabei Spannungssprünge entstehen. Es ist daher in solchen Systemen wünschenswert, die Aufnehmerelemente von den Daten verarbeitenden Systemen zu isolieren.

Auf anderen Anwendungsgebieten ist es oft wünschenswert, Gleichspannungen zu modulieren oder zu zerhacken, um Wechselspannungssignale zu erhalten, die man dann mit einem gewöhnlichen Wechselspannungsverstärker verstärken kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für derartige Anwendungen geeignete elektronische Festkörperanordnung zur Übertragung von Spannungen oder Strömen, bestehend aus einem mehrschichtigen Körper, bei dem die einzelnen Schichten eine unterschiedliche Konzentration an beweglichen Ladungsträgern besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Signalübertragungssysteme zu schaffen, deren Funktion auf der bekannten Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und Phononen beruht.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils zwei benachbarte Schichten mit relativ hoher Ladungsträgerkonzentration durch eine keine oder nur eine relativ geringe Konzentration an beweglichen Ladungsträgern enthaltende Zwischenschicht elektrisch getrennt sind, daß die beiden voneinander isolierten Schichten oder voneinander isolierten Schichtenfolgen als Stromwege in je einem von zwei getrennten Stromkreisen liegen und daß die Dicke aller Schichten so bemessen ist, daß die durch die Bewegung der Ladungsträger beeinflußten Gitterschwingungen der im ersten Stromkreis liegenden Schicht infolge der Kopplung der den Gitterschwingungen zugeordneten Phononen über die Zwischenschicht die Gitterschwingungen der anderen, im zweiten Stromkreis liegenden benachbarten Schicht relativ hoher Ladungsträgerkonzentration und damit die Bewegung der Ladungsträger in dieser Schicht beeinflussen.

Nach der Erfindung besteht die Festkörperanordnung also aus zwei benachbarten, bewegbare Elektronische Festkörperanordnung

Anmelder:

Deutsche ITT Industries

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

ίο

Als Erfinder benannt:

William Shockley, Los Altos, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. September 1959
(839 011)

Ladungsträger enthaltenden Stromwegen, deren Ladungsträger über Phononen miteinander gekoppelt sind. Die Dicke der Zwischenschicht sollte etwa der mittleren freien Weglänge der Phononen entsprechen.

Aus der schweizerischen Patentschrift 262 662 und dem deutschen Gebrauchsmuster 1751709 sind zwar Festkörperanordnungen mit temperaturabhängigen Widerständen bekannt, die durch eine mit ihnen in Wärmekontakt stehende, elektrisch isolierte, stromdurchflossene leitende Schicht gesteuert werden. Es handelt sich dabei aber um Anordnungen, deren Steuerung durch reine Wärmeleitung erfolgt und die auch nicht im Hinblick auf eine Phononenkupplung dimensioniert sind. Aus der deutschen Patentschrift 815 493 und der USA-Patentschrift 2 497 770 waren ferner Halbleiteranordnungen bekannt, die durch mechanische Energie gesteuert werden. Es handelt sich aber bei diesen Anordnungen nicht um Ubertragungsanordnungen für elektrische Spannungen oder Ströme, sondern um reine elektromechanische Wandler.

Die Erfindung macht von einer neuartigen Verwendung eines Isolators Gebrauch. Die Festkörperanordnung nach der Erfindung ermöglicht es, Gleichspannungen zu modulieren, umzusetzen oder ähnliche Vorgänge durchzuführen. Es kann auch ein neuer Typ eines Halbleiterverstärkers geschaffen werden, dessen Funktion darauf beruht, daß Phononen bei Bewegung der Ladungsträger mitgezogen werden. Die weitere Ausbildung und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

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F i g. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung der Träger in einem Halbleiter mit und ohne ein zusätzliches elektrisches Feld;

Fig.2 zeigt die graphische Darstellung der Phononenenergieverteilung pro Impulsintervall für Phononen, die im Halbleiter gemäß F i g. 1 vorhanden sind;

F i g. 3 zeigt eine Festkörperanordnung nach der Erfindung in Verbindung mit dazugehöriger Schaltung;

F i g. 4 bis 7 zeigen anders ausgebildete Festkörperanordnungen nach der Erfindung;

F i g. 8 zeigt Festkörperanordnungen nach der Erfindung, die so verbunden sind, daß die erzeugte Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung;

F i g. 9 zeigt eine Festkörperanordnung entsprechend der F i g. 8, die aber auf einem einzigen Block aus Halbleitermaterial aufgebaut ist;

F i g. 10 zeigt eine Festkörperanordnung nach der ao Erfindung, die als Zerhacker oder Umformer geschaltet ist;

Fig. 11 zeigt eine Festkörperanordnung nach der Erfindung, die als Verstärker geschaltet ist, und

F i g. 12 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform einer Festkörperanordnung nach der vorliegenden Erfindung.

Das Verständnis über die Funktion der betrachteten Anordnungen wird an Hand der Erläuterung der vorzugsweisen Ausführungsbeispiele erleichtert.

In F i g. 1 stellt die Kurve I die Geschwindigkeitsverteilung der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) in einem Halbleiter ohne elektrisches Feld dar. Wenn ein äußeres Feld auf den Halbleiter einwirkt, ergibt sich eine Geschwindigkeitsverteilung der Ladungsträger entsprechend der gestrichelten Kurve II. In Fi g. 1 ist auf der Ordinate die Zahl der Elektronen pro Geschwindigkeitsintervall bezüglich der Geschwindigkeit in der .Ϊ-Richtung, welche die Richtung des Stromflusses ist, aufgetragen.

In Fig.2 ist eine Kurve der Phononenverteilung pro Impulsintervall für eine Gruppe von Phononen aufgetragen, die Impulse besitzen, welche ihnen eine Wechselwirkung mit den Elektronen gestatten. Auf der Ordinate sind die Energie und auf der Abszisse die Phononenimpulse P_x aufgetragen. Die Kurve III stellt die Verteilung ohne angelegtes Feld dar. Wenn ein Strom fließt, stoßen die Ladungsträger mit den Phononen zusammen oder treten in sonstige Wechselwirkung mit ihnen, und die Phononenverteilung ändert sich dadurch quantitativ in der Art, wie in der gestrichelten Kurve IV der F i g. 2 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, daß der durchschnittliche Impuls der Phononen, welche mit den Elektronen in Wechselwirkung treten können, in Richtung der durch das Feld hervorgerufenen Geschwindigkeitskomponente (Driftgeschwindigkeit) der Träger verschoben wird. Der Gesamtimpuls des Phononensystems geteilt durch die Gesamtenergie des Phononensystems entspricht der Geschwindigkeit des Energieflusses der Phononen. Unter bestimmten Bedingungen (vgl. Literaturangabe weiter unten) ist die Phononengeschwindigkeit ungefähr gleich der Driftgeschwindigkeit der Elektronen unter dem Einfluß des angelegten Feldes.

Dieser zuletzt genannte Zustand ist in der Theorie der Thermokraft als der Sättigungseffekt bekannt. Er tritt dann ein, wenn die Wahrscheinlichkeit, daß ein Phonon von einem Elektron gestreut wird, größer

ist als die Wahrscheinlichkeit, daß ein Phonon von einem anderen Phonon gestreut wird. Bei tieferen Temperaturen ist dieser Effekt verhältnismäßig vollständig, ebenso bei relativ hoher Elektronendichte. Es ist daher einleuchtend, daß eine fast vollständige Sättigung bei einer geringen Elektronendichte bei tiefen Temperaturen eher erreicht werden kann als bei höheren Temperaturen.

Die mittlere freie Weglänge der Phononen, welche mit den Elektronen reagieren, nimmt mit abnehmender Temperatur verhältnismäßig rasch zu und nimmt bei Temperaturen zwischen 20 und 100° K eine mikroskopisch meßbare Größenordnung an. Bei Raumtemperatur liegt die mittlere freie Weglänge der Phononen, welche mit den Elektronen reagieren, in der Größenordnung von IO^-4 cm oder 1 μ.

In F i g. 3 ist eine Festkörperanordnung dargestellt, die aus zwei durch einen pn-übergang getrennten Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit besteht. Ohne Anlegen einer Vorspannung an den pn-übergang wird an der Verbindungsstelle eine Raumladungswolke 11 erzeugt. Die Zone dieser Raumladungswolke ist an Ladungsträgern verarmt. In der Praxis kann es wünschenswert sein, eine Vorspannung 12 anzulegen, durch welche die Breite der Raumladungszone vergrößert wird. Die Raumladungszone 11, welche an Ladungsträgern verarmt ist, bewirkt die Isolierung der Zone mit p-Leitfähigkeit von der Zone mit η-Leitfähigkeit. Ein Übergang der beschriebenen Art kann durch irgendein bekanntes Verfahren, beispielsweise durch Ziehen eines Kristalls aus der Schmelze bei veränderbaren Ziehbedingungen oder durch ein Diffusionsverfahren hergestellt werden. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, sind die p- und η-leitenden Schichten verhältnismäßig dünn.

Die beiden Pole eines Signalgenerators V_s mit einem Innenwiderstand R_s sind in der in der Zeichnung dargestellten Art mit der η-Schicht verbunden. Durch den Generator wird in der η-Schicht ein elektrischer Strom erzeugt. Die Schicht wird zweckmäßig genügend hoch dotiert, so daß eine beträchtliche, unter Umständen sogar gesättigte Mitbewegung der Phononen entsprechend den durch die Schicht fließenden Ladungsträgern (Elektronen) entsteht. Die Schicht ist vorzugsweise verhältnismäßig dünn, so daß die Decke der Schicht etwa der mittleren freien Weglänge der Phononen entspricht. Es können jedoch auch beträchtliche Wechselwirkungen entstehen, wenn die mittlere freie Weglänge kleiner als die Dicke der Schicht ist und mehrere Anordnungen in Parallelschaltung verwendet werden, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.

Die in der η-Schicht fließenden Elektronen stehen in Wechselwirkung mit den Phononen und verursachen einen Impuls, wie es durch die Kurve TV in Fig.2 dargestellt ist. Die Phononen erhalten eine bevorzugte Bewegung in Richtung des Stromflusses. Diese Phononenbewegung, die durch den in der η-Schicht fließenden Strom verursacht wird, pflanzt sich durch die Raumladungszone 11 in die p-Schicht fort. Die Phononen treten dort mit den Ladungsträgern (Löchern) in der p-Schicht in Wechselwirkung und rufen eine Bewegung der Löcher in der gleichen Richtung wie der Elektronenstrom in der n-Schicht hervor. Die Bewegung der Löcher in der p-Schicht verursacht eine Spannung in der Bewegungsrichtung zwischen den Enden der Schicht. Bei Einschalten

einer Last zwischen die Enden wird diese von einem Strom durchflossen. Der Strom hängt von dem resultierenden Widerstand der p-Schicht und der Ausgangsschaltung ab.

Eine Änderung der Spannung zwischen dem Eingang und der Masse, die im vorliegenden Beispiel durch den Spannungsgenerator V_a mit dem Arbeitswiderstand Jk_a dargestellt wird, verursacht nur Änderungen der Spannung über den pn-übergang der Anordnung. Wenn diese Spannung im Vergleich mit der Vorspannung klein ist, entstehen verhältnismäßig kleine Ströme durch den pn-übergang. Diese Ströme sind im Verhältnis zu der Phononenmitbewegung vernachlässigbar. Wenn weiterhin die Anordnung in bezug auf den pn-übergang symmetrisch aufgebaut ist, wird der Rückstrom, der durch die zusätzliche Gleichspannung zwischen der η-Schicht und der p-Schicht entsteht, in der p-Schicht symmetrisch fließen und kein Signal in der p-Schicht erzeugen. Damit ist der Ausgang der Festkörperanordnung der Spannung am Eingang der η-Schicht proportional und von Gleichspannungsschwankungen der Grundspannung, welche die Breite der Raumladungszone 11 nicht merklich verändert, über einen großen Spannungsbereich unabhängig.

Die Raumladungszone 11 hat vorzugsweise eine Dicke, die gleich oder kleiner als die freie Weglänge der Phononen ist, wodurch eine merkliche Anzahl von Phononen von der η-Schicht in die p-Schicht gelangen kann und dort die Löcher in der p-Schicht in Bewegung setzt. Bei einer symmetrischen Anordnung ist die Phononendrift in der p-Schicht ungefähr gleich der Hälfte des Sättigungswertes in der n-Schicht.

Die Anordnung nach Fig.3 kann durch die in F i g. 4 dargestellte Konstruktion vereinfacht werden. Die p- und η-Schichten werden in einen Block aus Halbleitermaterial 13, beispielsweise aus Silizium, Germanium oder ähnlichem Material, eindiffundiert. Beispielsweise kann eine p-Schicht 14 durch Diffusion von Akzeptorverunreinigungen hergestellt werden. Anschließend wird eine n-Schicht 15 durch Diffusion von Donatorverunreinigungen auf der Oberfläche der dünnen p-Schicht erzeugt. Die Anordnung wird dann chemisch oder mechanisch bearbeitet, um alle den Block umgebenden Oberflächenschichten, mit Ausnahme der in F i g. 4 dargestellten Schichten 14 und 15, zu entfernen. Ein Aufbau der in F i g. 4 dargestellten Anordnung ist relativ leicht herzustellen, insbesondere können relativ dünne Schichten in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Phononen hergestellt werden.

Bei der Anordnung nach F i g. 4 können Phononen von den dünnen Schichten auch in den Grundkörper 13 gelangen. Als Folge davon ist die Kopplung zwisehen den Schichten geringer, als es wünschenswert erscheint. Bei der Anordnung nach F i g. 3 bestehen die gleichen Nachteile, da die Phononen an die Oberfläche des Materials gelangen können und dort gestreut werden. Dabei verlieren sie ihren bevorzugten Impuls in Richtung der Elektronenbewegung.

In F i g. 5 ist ein Aufbau gezeigt, mit welchem ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden kann. In der Hauptsache besteht die Anordnung aus einer Aufeinanderfolge von abwechselnd geschichteten n- und pleitenden Lagen mit Anschlüssen an den gegenüberliegenden Seiten. Solche Schichtenfolgen können, z. B. durch einen Stufenziehprozeß, aus Silizium-

oder Germaniumkristallen hergestellt werden. Nach dem Ziehen des Materials wird ein Block des dargestellten Typs durch Zerschneiden des Kristalls hergestellt. An den vier Ecken des Blockes werden Zuführungen angebracht. So wird beispielsweise durch Eindiffundieren von p-leitendem Material an den Ecken 17 eine p-leitende Zone erzeugt, welche mit den p-Schichten in Verbindung steht. Ein Legierungsprozeß oder irgendein anderes bekanntes Verfahren kann zur Herstellung der Zuführungen 17 angewendet werden. Ähnlich werden die η-leitenden Anschlüsse 18 an den anderen beiden Ecken des Blockes angebracht. Sie dienen zum Anschluß der n-leitenden Schichten. Dann wird das Zuleitungspaar 17 an zwei entgegengesetzten Ecken und das andere Paar der Zuleitungenie an den anderen Ecken angebracht. Ein Strom zwischen den p-leitenden Anschlüssen 17 erzeugt einen Löcherstrom in den p-Schichten diagonal durch den Block. Die dadurch bedingte Phononenmitbewegung wird auf die benachbarten η-Schichten übertragen und erzeugt eine Spannung oder einen Strom zwischen den entgegengesetzten Anschlüssen. Wenn der Block verhältnismäßig lang im Vergleich zu seiner Breite ist, dann laufen die Stromwege zwischen den beiden Zuführungen 17 fast parallel zu den Stromwegen zwischen den Zuleitungen 18, wodurch der Effekt der Phononenmitbewegung am größten wird. Der Vorteil des dargestellten Aufbaues besteht darin, daß die Phononen, die die p-Schichten in irgendeiner Richtung verlassen, auf jeden Fall mit den Ladungsträgern in den benachbarten η-leitenden Schichten in Wechselwirkung treten und dabei einen Strom durch diese Schichten erzeugen. Die einzelnen Schichten sind voneinander durch die Raumladungszonen an den pn-Ubergängen isoliert. Es ist auch möglich, eine geeignete Vorspannung zwischen den beiden Schichtenfolgen anzulegen, um die Breite der Raumladungszone zu vergrößern.

Bei einigen Anwendungen der Erfindung ist es wünschenswert, eine bessere als durch die vorhandene oder mittels einer Vorspannung vergrößerte Raumladungszone mögliche Isolierung zu erhalten. In solchen Fällen ist eine Anordnung des in F i g. 6 dargestellten Typs zu bevorzugen. Die Anordnung nach F i g. 6 weist einen Stromweg 20, eine Isolierschicht 21 und einen zweiten Stromweg 22 auf, die alle auf einem Block 23 aufgebaut sind. Bei Herstellung der Stromwege und Isolierschichten auf einem Block 23 ist es auch wieder möglich, sich der Diffusionstechnik zu bedienen, um möglichst dünne Lagen zu erhalten, deren Dicke mit der mittleren freien Weglänge der Phononen vergleichbar ist. Die Zwischenschicht 21 besitzt sehr wenig Ladungsträger. Sie besteht praktisch aus eigenleitendem Material. Die Schichten 20 und 22 haben eine größere Ladungsträgerkonzentration, wodurch der Sättigungseffekt leicht erreicht werden kann. Falls eine noch bessere Isolierung gewünscht wird, kann eine Vorspannung zwischen der Zwischenschicht 21 und den benachbarten Schichten angelegt werden, derart, daß die pn-Ubergänge in Sperrichtung beansprucht werden und die Breite der Raumladungszone größer wird. Im übrigen arbeitet die Anordnung gemäß F i g. 6 so, wie es bereits beschrieben wurde. Eine Weiterbildung der Anordnung nach F i g. 6 ist in F i g. 7 zu sehen, bei welcher die Anordnung ohne die Basis 23 hergestellt wird.

In F i g. 8 ist eine Mehrzahl von Anordnungen 25, 26 und 27 einer der vorstehend beschriebenen Typen, beispielsweise der des Typs gemäß Fig. 3, in einer bestimmten Art miteinander verbunden. Es wird dadurch eine Spannungsverstärkung erzielt. Das Eingangssignal wird den parallelgeschalteten ersten leitenden Schichten der Anordnungen 25, 26 und 27 zugeführt. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, wird die Spannung den Zuleitungen 28 und 29 zugeführt, welche mit den entgegengesetzten Enden der ersten Schichten der Anordnungen 25, 26 und 27 verbunden sind. Die Ausgangsschichten sind in Serie zwischen die Ausgangsleiter 31 und 32 geschaltet. Die Verbindung zwischen den Schichten wird durch die Leiter 33 und 34 hergestellt. Die Eingangsspannung wird demnach der Parallelschaltung der Schichten zugeleitet und die Ausgangsspannung einer Serienschaltung entnommen, wodurch eine Spannungsverstärkung erreicht wird.

Bei anderen Anwendungen, beispielsweise beim Vorliegen kleiner Eingangssignale der Größenordnung zwischen 5 und 10 μν, ist die Verwendung einer Anordnung des soeben beschriebenen Typs ebenfalls von Vorteil. Die Anordnung hat dabei die Wirkung eines Transformators, durch den die Spannungsaraplitude der Signale um das Mehrfache gegenüber den ursprünglichen Signalen vergrößert werden kann. Auf diese Weise können Signale erhalten werden, weiche im Vergleich zu den Anfangssignalen sehr groß sind.

In F i g. 9 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung des in Fig. 8 dargestellten Typs auf einem Block dargestellt. Danach hat eine Halbleiterbasis 36 eine darauf durch Diffusion oder andere bekannte Maßnahmen gebildete Schicht 37. Die Schicht 37 stellt die Ausgangsschicht dar. Durch einen zweiten Diffusionsprozeß werden mehrere langgestreckte Schichten 38 erzeugt. Zu diesem Zweck wird die Schicht 37 durch Masken oder andere geeignete Maßnahmen so abgedeckt, daß verschiedene voneinander getrennte Schichten 38 entstehen können. Diese Schichten sind durch Drähte 39 in Serie geschaltet. Das Eingangssignal wird über die Leitungen 41 und 42 eingeführt, während das Ausgangssignal an der Schicht 37 abgenommen wird.

Aus dem bereits Geschilderten geht hervor, daß bei Vergrößern der Breite der Raumladungszone oder der Isolierschicht eine Dicke erreicht wird, welche größer als die mittlere freie Weglänge der Phononen ist. In einem solchen Fall sind die Eingangs- und Ausgangsschichten nicht länger miteinander gekoppelt. Es wird beispielsweise bei den Anordnungen nach F i g. 3 und 4 eine große Vorspannung 12 an der Verbindungsstelle in erster Linie die Breite der Raumladungszone vergrößern, so daß nur noch eine geringe Anzahl von Phononen in die Ausgangsschicht gelangen und dort mit den Ladungsträgern in Wechselwirkung treten können. Bei den Anordnungen nach F i g. 6 und 7 verursacht das Anlegen einer Vorspannung hinreichender Größe ein so starkes Verbreitern der Isolierschicht, daß keine Phononenkopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsschicht entstehen kann. Daher kann bei Anlegen einer Gleichspannung an die Eingangsschicht und eines Wechselspannungssignals geeigneter Größe an den pn-übergang bzw. die Isolierschicht die Anordnung als Zerhacker verwendet werden, der bei

einem Gleichstromeingangssignal ein Wechselstromausgangssignal liefert.

Ih Fig. 10 ist eine Anordnung des in Fig. 6 bereits dargestellten Typs zu sehen. Die Anordnung enthält die Basiszone 23, eine Eingangsschicht 20, eine Ausgangsschicht 22 und eine Isolierschicht 21. Ein Wechselstromvorspannungssignal 43 wird zwischen den Schichten 20 und 22 und der Isolierschicht 21 angelegt. Wenn dieses Signal eine geeignete Amplitude besitzt, wird eine von Ladungsträgern verarmte Schicht, d. h. eine Raumladungszone, erzeugt, welche im wesentlichen breiter bzw. dicker als die freie Weglänge der Phononen ist, wodurch eine Phononenkopplung zwischen den Schichten 20 und 22 verhindert wird. Dadurch wird ein Gleichstromeingangssignal am Ausgang zwischen O und einem Wert, der von der Kopplung zwischen der Eingangsund der Ausgangsschicht abhängt, schwanken.
Der in Fig. 10 für einen Zerhacker beschriebene ao Effekt kann ebensogut zur Bildung eines Wechselstromverstärkers ausgenutzt werden. Dabei wird eine große Gleichspannung an die Schicht 20 gelegt, um eine Sättigung zu erreichen. Der Ausgang der Schicht 22 kann mit Hilfe eines Signals 44 gesteuert werden (Fig. 11). Demnach wird ein verstärktes Wechselspannungssignal erhalten, wenn eine kleine Wechselspannung bei 44 zum Vergrößern und Verkleinern der Breite der Raumladungszone verwendet wird.

Daraus ist zu entnehmen, daß die Festkörperanordnung nach der Erfindung als Gleichspannungsumformer und bei Anlegen eines sich ändernden Signals als Zerhacker, Wandler oder Verstärker verwendet werden kann. Alle beschriebenen Anordnungen beruhen hinsichtlich ihrer Funktion auf der Phononenkopplung zwischen zwei stromführenden Schichten. Die Phononen ändern ihren Impuls durch den Stromfluß in einer Schicht, laufen durch eine Isolierschicht und treten mit den Ladungsträgern in der anderen Schicht in Wechselwirkung, wodurch sie an diese einen Impuls abgeben. Eine Spannung oder ein Strom kann dann zwischen einem Paar von Zuleitungen, die mit den entgegengesetzten Seiten der zweiten Schicht verbunden sind, entnommen werden.

Die Theorie der Wechselwirkung zwischen Phononen und Ladungsträgern wurde von H e r r i η g auf einer Konferenz in Deutschland diskutiert und ist wiedergegeben in dem Buch »Halbleiter und Phosphore«, F. Vieweg und Sohn, Deutschland, 1958,

S. 184. Eine weitere Liste von Berichten kann in dem Aufsatz »Analyses of Phonon-Drag Thermomagnetic Effects in η-Type Germanium« von C. Herring, T.H.Geballe und J.E.KunzIer, Bell System Techn. Journ., Vol. 38, S. 657, 1959, gefunden werden.

Aus der vorangegangenen Beschreibung geht hervor, daß die gewünschte Kopplung durch Phononen zwischen zwei Stromwegen dann eintritt, wenn die Wege so angelegt sind, daß eine Möglichkeit für die Phononen besteht, von einem Weg in den anderen überzutreten. Diese Möglichkeit kann am besten dadurch erreicht werden, daß zwei Stromwege innerhalb eines homogenen Körpers angeordnet sind, in welchem keine Streuung der Phononen durch mechanische Zusammenstöße auftreten kann. Diese Verhältnisse werden beispielsweise in Zusammenhang mit diffundierten Schichten in einem Einkristall aus Silizium erreicht. Eine Kopplung mit einem etwas

Claims

geringeren Wirkungsgrad kann jedoch auch bei Verwendung unterschiedlichen Materials für die einzelnen Schichten erreicht werden. So ist beispielsweise in Fig. 12 eine Schicht aus Metall als erster Stromweg 20 denkbar, eine Isolierschicht 21, während der zweite Stromweg 22 entweder aus Metall oder aus einem Halbleiter bestehen kann. Die Schicht 20 kann beispielsweise durch Aufdampfen auf eine Isolierschicht 23 erhalten werden. Bei den Anordnungen nach der Erfindung werden extrem dünne Isolierschichten benötigt. Es eignen sich dazu beispielsweise auf Silizium oder Aluminium erzeugte Oxydschichten. Außerdem können aufgedampfte oder orientiert aufgewachsene einkristalline Schichten als Isolierlagen benutzt werden. Orientiert aufgewachsene einkristalline Schichten haben den Vorteil, daß größere kristalline Bezirke als homogenes Material vorliegen. Die Auswahl des Materials hängt von einer Zahl Faktoren ab. Dazu gehört die Eignung hinsichtlich der durch die Umgebung bedingten Einflüsse, ferner eine gute Ausbildung der elastischen Eigenschaften, um die Reflexion der Phononen an den Grenzen herabzusetzen, sowie das Verhältnis der Zusammenstöße zwischen Ladungsträgem und Phononen, verglichen mit anderen Prozessen. Patentansprüche:

1. Elektronische Festkörperanordnung zur Übertragung von Spannungen oder Strömen, bestehend aus einem mehrschichtigen Körper, bei dem die einzelnen Schichten eine unterschiedliche Konzentration an beweglichen Ladungsträgern besitzen, dadurch gekennzeich-35 net, daß jeweils zwei benachbarte Schichten mit relativ hoher Ladungsträgerkonzentration durch eine keine oder nur eine relativ geringe Konzentration an beweglichen Ladungsträgern enthaltende Zwischenschicht elektrisch getrennt sind, daß die beiden voneinander isolierten Schichten oder voneinander isolierten Schichtenfolgen als Stromwege in je einem von zwei getrennten Stromkreisen liegen und daß die Dicke aller Schichten so bemessen ist, daß die durch die Bewegung der Ladungsträger beeinflußten Gitterschwingungen der im ersten Stromkreis liegenden Schicht infolge der Kopplung der den Gitterschwingungen zugeordneten Phononen über die Zwischenschicht die Gitterschwingungen der anderen, im zweiten Stromkreis liegenden benachbarten Schicht relativ hoher Ladungsträgerkonzentration und damit die Bewegung der Ladungsträger in dieser Schicht beeinflussen.

2. Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der einzelnen Schichten der mittleren freien Weglänge der Phononen in dem verwendeten Material entspricht.

3. Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Stromweg aus einer relativ dünnen Schicht eines Halbleitermaterials des einen Leitfähigkeitstyps (n) und der zweite Stromweg aus einer relativ dünnen Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p) gebildet ist und daß ein pn-übergang die beiden Stromwege voneinander trennt.

4. Festkörperanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dünnen Schichten der Stromwege aus hochdotiertem, insbesondere bis zur Entartungskonzentration dotiertem Halbleitermaterial bestehen.

5. Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromwege aus metallischen Schichten bestehen.

6. Festkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromwege aus unterschiedlichem Material, die eine Schicht aus Metall und die andere Schicht aus Halbleitermaterial, bestehen.

7. Festkörperanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromwege aus Halbleitermaterial bestehen und durch eine dazwischenliegende Isolierschicht elektrisch voneinander isoliert sind.

8. Festkörperanordnung nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden aus Halbleitermaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit bestehenden Stromwege (20 und 22) durch eine Schicht (21) aus eigenleitendem Halbleitermaterial voneinander getrennt sind.

9. Festkörperanordnung nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zwischen den Halbleiterschichten befindlichen Isolierschicht der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Phononen entspricht.

10. Festkörperanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aus zwei durch eine an Ladungsträgem verarmte Zone getrennten Stromwegen bestehende Anordnungen so zusammengeschaltet sind, daß die den Eingang bildenden Stromwege parallel und die den Ausgang bildenden Stromwege in Reihe geschaltet sind.

11. Festkörperanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der an Ladungsträgem verarmten Raumladungszone zwischen den beiden Stromwegen durch Anlegen einer Vorspannung zwischen den beiden Schichten veränderbar ist.

12. Verfahren zum Betrieb einer Festkörperanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei aus Halbleitermaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit als Stromwege dienenden Schichten (20 und 22), die durch eine in ihrer Dicke der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Phononen entsprechende Isolierschicht (21) voneinander getrennt sind, ein Wechselstromsignal (43) solcher Amplitude angelegt wird, daß die zwischen den als Stromwege dienenden Schichten (20 und 22) entstehende Raumladungszone in ihrer Dicke schwankt und dabei teilweise dicker als die freie Weglänge der Phononen wird und infolgedessen im Stromkreis der zweiten Schicht (22) ein zerhackter Gleichstrom auftritt (F i g. 10), wenn am Eingang der ersten Schicht (20) ein Gleichstrom eingespeist wird.

13. Verfahren zum Betrieb einer Festkörperanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwei aus Halb-

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