DE1514904C - Steuerbares elektrisches Bauelement - Google Patents

Description

Bei den bekannten Halbleiteranordnungen wie Transistoren erfolgt der Stromtransport bekanntlich durch Minoritätsladungsträger. Ferner sind elektrische Bauelemente bekannt, bei denen der Stromtransport nicht durch Minoritätsladungsträger, sondern durch Majoritätsladungsträger erfolgt, wie z. B. Bauelemente mit injizierendem Tunnel-Übergang und Bauelemente, bei denen zwei Stromkreise durch Phononeninjektion gekoppelt sind (USA.-Patentschrift 3 200 259). Durch solche Bauelemente werden gewisse Nachteile der Minoritätsladungsträgerbauelemente, wie z. B. Zwang zur Verwendung von Einkristallen, Strahlungsempfindlichkeit u: a. vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges steuerbares elektrisches Bauelement aufzuzeigen, welches mit Majoritätsladungsträgern arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem steuerbaren elektrischen Bauelement mit zwei thermoelektrischen Zonen mit einer Thermospannung gleichen Vorzeichens und einer zwischen diesen beiden Zonen liegenden weiteren thermoelektrischen Zone mit einer Thermospannung mit gegenüber der Thermospannung der beiden äußeren Zonen entgegengesetztem Vorzeichen nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die weitere thermoelektrische Zone sperrfrei zwischen den beiden äußeren Zonen angeordnet ist und unmittelbar an die beiden äußeren Zonen grenzt.

Zwischen die mittlere und jede der beiden äußeren thermoelektrischen Zonen ist je eine Spannung gelegt, und zwar derart, daß die beiden angelegten Spannungen voneinander verschieden sind.

Im folgenden wird eine thermoelektrische Zone aus einem Material mit positiver Thermospannung kurz als thermoelektrische P-Zone oder auch als P-Zone und eine thermoelektrische Zone aus einem Material mit negativer Thermospannung als thermoelektrische N-Zone oder auch als N-Zone bezeichnet.

Das steuerbare elektrische Bauelement nach der Erfindung kann beispielsweise aus zwei thermoelektrischen P-Zonen und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen N-Zone oder aus zwei thermoelektrischen N-Zonen mit einer dazwischenliegenden P-Zone bestehen. Die Wirkungsweise eines solchen thermoelektrischen Bauelementes mit thermoelektrischer PNP- oder NPN-Zonenfolge besteht darin, daß bei entsprechender Wahl der angelegten Spannungen unter Ausnutzung des Peltiereffektes eine kalte Kontaktstelle an der einen Grenzfläche der mittleren thermoelektrischen Zone entsteht, die durch das Erzeugen einer warmen Kontaktstelle an der anderen Grenzfläche der mittleren thermoelektrischen Zone beeinflußt werden kann. Die thermoelektrische Gegenspannung im Stromkreis mit der kalten Kontaktstelle kann durch diese thermische Beeinflussung verkleinert werden, d. h., der Strom in diesem Stromkreis kann über den Strom im anderen Stromkreis moduliert werden. Ebenso kann natürlich auch der Strom im Stromkreis mit der warmen Kontaktstelle durch den Strom im anderen Stromkreis moduliert werden. Ein besonders hochfrequentes Bauelement entsteht, wenn aus einem Übergang zwischen zwei thermoelektrischen Zonen heiße Elektronen durch die mittlere Zone in den anderen Stromkreis gelangen können, so daß eine Modulation nicht über die Wärmeleitung des Gitters, sondern durch diese heißen Elektronen direkt erfolgt. Dies kann dann geschehen, wenn die mittlere Zone, durch die die heißen Elektronen in die kältere Kontaktstelle ge-• langen, hinreichend dünn ist und/oder aus einem Material besteht, bei dem die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen des Gitters hinreichend gering ist.

Bei einem Bauelement mit einer thermoelektrischen PNP-Zonenfolge können die beiden P-Zonen auf verschiedene Weise gegenüber der mittleren N-Zone vorgepolt sein. So kann man beispielsweise

ίο ein aktives Bauelement erhalten, wenn die erste P-Zone positiv gegenüber der N-Zone und die zweite. P-Zone negativ gegenüber der N-Zone vorgespannt sind. Umgekehrt kann auch die erste P-Zone negativ gegenüber der N-Zone und die zweite P-Zone positiv gegenüber der N-Zone vorgespannt sein. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, daß die beiden P-Zonen positiv oder negativ gegenüber der N-Zone vorgespannt sind.

Während an die N-Zone und die eine P-Zone eine Gleichspannung angelegt wird, ist zwischen der N-Zone und der anderen P-Zone eine Gleich- und/ oder Wechselspannung vorgesehen.

Unter der Voraussetzung, daß der Absolutwert der Spannung zwischen der N-Zone und der ersten P-Zone kleiner als der Absolutwert der Spannung zwischen der N-Zone und der zweiten P-Zone ist, bestehen für die Wahl der an die thermoelektrischen Zonen eines Bauelementes mit PNP-Zonenfolge angelegten Spannungen verschiedene Möglichkeiten. So erhält man ein aktives Bauelement, wenn die Spannung zwischen der N-Zone und der zweiten P-Zone kleiner als die doppelte Peltierspannung zwischen der N-Zone und der ersten P-Zone ist. Die Spannung zwischen der N-Zone und der ersten P-Zone muß dann kleiner als diese Spannung sein.

Sind die thermoelektrischen Materialien für die einzelnen Zonen derart gewählt, daß die Peltierspannung der N-Zone gegen die erste P-Zone kleiner als die Peltierspannung der N-Zone gegen die zweite P-Zone ist, so wird die Spannung an der N-Zone und der zweiten P-Zone so gewählt, daß sie z. B. gleich der Peltierspannung zwischen der N-Zone und der zweiten P-Zone ist. Die Spannung an der N-Zone und der ersten P-Zone wird dann gleich der Peltierspannung zwischen der N-Zone und der ersten P-Zone gemacht.

Bestehen die beiden P-Zonen aus dem gleichen thermoelektrischen Material, so wird an die N-Zone und die erste P-Zone eine Spannung angelegt, die kleiner als die Peltierspannung zwischen der N-Zone und der P-Zone ist, während an die N-Zone und die zweite P-Zone eine Spannung angelegt wird, die gleich der Peltierspannung zwischen der N-Zone und der P-Zone ist.

Für ein steuerbares elektrisches Bauelement, welches nach der Erfindung aus zwei thermoelektrischen N-Zonen und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen P-Zone besteht, gelten zum Teil ähnliche, zum Teil andere Bedingungen hinsichtlich der Span-Go nungswahl. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, daß bei einem solchen Bauelement die erste N-Zone positiv gegenüber der P-Zone und die zweite N-Zone negativ gegenüber der P-Zone vorgespannt sind. Umgekehrt kann aber auch die erste N-Zone negativ gegenüber der P-Zone und die zweite N-Zone positiv gegenüber der P-Zone vorgespannt sein. Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, daß die beiden N-Zonen positiv oder negativ gegenüber der P-Zone

vorgespannt sind. Bei einem Bauelement mit NPN-Folge der thermoelektrischen Zonen wird nach der Erfindung die größere der beiden an die thermoelektrischen Zonen angelegten Spannungen kleiner oder gleich der doppelten Peltierspannung zwischen denjenigen beiden thermoelektrischen Zonen gewählt, an die die größere Spannung angelegt ist.

Da die Thermografie einiger Materialien (z. B. Germanium u. a.) bei sehr tiefen Temperaturen sehr viel höhere Werte annehmen als bei Zimmertemperaturen, ist die Verwendung der Bauelemente gemäß der Erfindung bei den Temperaturen des flüssigen Stickstoffs, Wasserstoffs und Heliums vorteilhaft.

Die Erfindung wird im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen erläutert.

Die F i g. 1 zeigt ein aktives Peltierelement, welches nach der Erfindung aus einer ersten themoelektrischen P-Zone 1, einer sperrfrei daran angrenzenden thermoelektrischen N-Zone 2 sowie einer an die N-Zone sperrfrei angrenzenden zweiten P-Zone 3 besteht. Wird zwischen der N-Zone 2 und der P-Zone 3 mit Hilfe der Spannungsquelle 4 eine Spannung π₂ angelegt, die vorzugsweise nicht größer als die doppelte Peltierspannung zwischen dem Material der N-Zone 2 und dem Material der P-Zone 3 ist, so fließt ein Strom von der N-Zone 2 in die P-Zone 3 unter der Voraussetzung, daß die P-Zone 3 negativ gegenüber der N-Zone 2 vorgespannt ist. Dabei kühlt sich der sperrfreie Kontakt der N-Zone 2 und der P-Zone 3 ab.

Nach F i g. 1 wird zwischen die P-Zone 1 und die N-Zone 2 mit Hilfe der Spannungsquelle 5 eine zweite Spannung Tt₁ gelegt, durch die ein Strom von der P-Zone 1 in die N-Zone 2 hineinfließt unter der Voraussetzung, daß die P-Zone 1 positiv gegenüber der N-Zone 2 vorgespannt ist. Der sperrfreie Kontakt zwischen der P-Zone 1 und der N-Zone 2 erwärmt sich dadurch, daß der Übergang »P-Zone 1 gegen N-Zone 2« heiße Elektronen emittiert. Über die Wärmeleitung durch die N-Zone 2 hindurch wird dann der abgekühlte Kontakt zwischen N-Zone 2 und P-Zone 3 erwärmt. Sorgt man nun konstruktiv dafür, daß die N-Zone hinreichend dünn ist (kleiner als 10 μ) und aus einem Material besteht, bei dem die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen des Gitters relativ klein ist, dann kann ein gewisser Anteil der heißen Elektronen, der normalerweise seine »Wärme« vorher an das Gitter abgibt, aus dem Kontakt »P-Zone 1 zur N-Zone 2« durch die N-Zone hindurch in die P-Zone 3 gelangen. Wenn der dadurch hervorgerufene Stromzuwachs zwischen der N-Zone 2 und der P-Zone 3 multipliziert mit der Spannung zwischen der N-Zone 2 und der P-Zone 3 größer ist als die Spannung zwischen der P-Zone 1 und der N-Zone 2 multipliziert mit dem gesamten injizierten Strom zwischen der P-Zone 1 und der N-Zone 2, dann stellt diese Anordnung ein aktives Bauelement und damit ein steuerbares elektrisches Bauelement dar. Da es ein reines Majoritätsträgerbauelement ist, ist seine Frequenzgrenze um Größenordnungen höher als die von normalen Transistoren.

Man kann jedoch das aktive Bauelement auch so ausbilden, daß das Material der P-Zone 1 und das Material der P-Zone 3 gleich sind. Legt man dann zwischen die N-Zone 2 und die P-Zone 3 eine Spannung, die gleich der Peltierspannung dieser beiden Materialien ist, wodurch eine maximale Abkühlung zwischen der N-Zone 2 und der P-Zone 3 im stationären Fall erzielt wird, und legt man weiterhin zwischen die P-Zone 1 und die N-Zone 2 eine Spannung, die kleiner als die Peltierspannung zwischen dem P-Material und dem N-Material ist, dann läßt sich bei geeigneter Wahl der Widerstände R₁ und R, ebenfalls erreichen, daß dieses Bauelement ein aktives Bauelement ist.

Als Material für ein aktives Bauelement gemäß der ίο Erfindung lassen sich Metalle, Metallegierungen oder auch p- und η-leitende Halbleiter verwenden. Für ein und dasselbe Bauelement sind verschiedene Kombinationen von Metallen, Metallegierungen und Halbleitern möglich, d. h., jede der thermoelektrischen Zonen kann aus verschiedenem Material bestehen. Natürlich darf hierbei nicht eine Zone aus p-leitendem Halbleitermaterial an eine solche aus n-leitendem Halbleitermaterial grenzen, da bekanntlich p- und η-leitende Halbleitermaterialien nicht unmittelbar sperrfrei verbunden werden können.

Die F i g. 2 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, bei der die N-Zone 2 aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit und die P-Zone 3 aus einem Material mit kleiner Austrittsarbeit besteht. Zwischen der N-Zone 2 und der P-Zone 3 befindet sich ein Vakuumspalt bzw. ionisiertes Gas 6. Legt man zwischen die N-Zone 2 und die P-Zone 3 eine Spannung, die z. B. kleiner oder gleich der Austrittsarbeit der N-Zone ist, so daß diese Spannung im wesentlichen am Vakuumspalt oder an der ionisierten Gasstrecke 6 steht, dann läßt sich der Strom über den Vakuumspalt oder die ionisierte Gasstrecke mit Hilfe von injizierten heißen Elektronen aus der P-Zone 1 in die N-Zone 2 vergrößern. Auch hier läßt sich durch geeignete Wahl der Spannungen und Widerstände erreichen, daß diese Anordnung ein aktives Element ist. Das thermoelektrische Bauelement der F i g. 3 hat keine PNP-, sondern eine NPN-Zonenfolge. Es besteht aus einer ersten thermoelektrischen N-Zone 1, einer sperrfrei daran angrenzenden thermoelektrischen P-Zone 2 sowie einer an die P-Zone sperrfrei angrenzenden zweiten N-Zone 3. Ein aktives Bauelement erhält man z. B. dann, wenn die N-Zone 1 gegen die P-Zone 2 und die P-Zone 2 gegen die N-Zone 3 negativ vorgespannt sind und wenn die größere der beiden Spannungen kleiner oder gleich der doppelten Peltierspannung zwischen den beiden thermoelektrischen Zonen ist, an die die größere Spannung angelegt ist.

Die Bauelemente nach der Erfindung werden beispielsweise dadurch hergestellt, daß die einzelnen thermoelektrischen Zonen in Gestalt dünner Schichten übereinander aufgebracht werden. Dies geschieht beispielsweise erfindungsgemäß durch Aufdampfen im Hochvakuum, durch Kathodenzerstäubung, durch Aufspritzen oder durch elektrochemisches oder chemisches Plattieren der thermoelektrischen Materialien. Die Bauelemente nach der Erfindung können erfindungsgemäß auch dadurch hergestellt werden, daß dünne Bleche aus den vorgesehenen thermoelektrischen Materialien, z. B. durch Pressen oder durch Walzen, miteinander verschweißt werden.

Die F i g. 4 zeigt schließlich noch ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Bauelementes nach der Erfindung. Die Herstellung erfolgt dadurch, daß auf einen isolierenden Träger 7 zunächst die P-Zone 1, anschließend die N-Zone 2 und schließlich die P-Zone 3 aufgedampft werden. Die einzelnen Zonen

werden so aufgedampft, daß sie sich an ihren Enden überlappen. Die einander nicht überlappenden Teile der aufgedampften Zonen dienen zur Kontaktierung der Zonen.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Steuerbares elektrisches Bauelement mit zwei thermoelektrischen Zonen mit einer Thermospannung gleichen Vorzeichens und einer zwischen diesen beiden Zonen liegenden weiteren thermoelektrischen Zone mit einer Thermospannung mit gegenüber der Thermospannung der beiden äußeren Zonen entgegengesetztem Vorzeichen, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere thermoelektrische Zone (2) sperrfrei zwischen den beiden äußeren Zonen (1, 3) angeordnet ist und unmittelbar an die beiden äußeren Zonen (1, 3) grenzt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den thermoelektrischen Zonen (1, 2, 3) sperrfreie Kontakte angebracht sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (2) eine Dicke von weniger als 10 μ hat.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Zonen (1, 2, 3) aus einem Metall, aus einer Metallegierung oder aus einem p- oder η-leitenden Halbleiter bestehen.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere thermoelektrische Zone (3) aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit und die mittlere Zone (2) aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit besteht und daß zwischen diesen Zonen ein Vakuum oder ein ionisiertes Gas enthaltender Spalt vorgesehen ist (Fi g. 2).

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (2) aus einem thermoelektrischen Material besteht, das eine kleine Wechselwirkung zwischen Elektronen und den Gitteratomen des Materials hat.

7. Betriebsschaltung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die mittlere (2) und jede der beiden äußeren (1, 3) thermoelektrischen Zonen je eine Spannung (^₁, π₂) gelegt ist und daß diese Spannungen (π_ν π₂) voneinander verschieden sind.

8. Betriebsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement mit zwei thermoelektrischen P-Zonen (1, 3) und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen N-Zone (2) die eine thermoelektrische P-Zone (3) negativ gegenüber der thermoelektrischen N-Zone (2) und die andere thermoelektrische P-Zone (1) positiv gegenüber der thermoelektrischen N-Zone (2) vorgespannt ist.

9. Betriebsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement mit zwei thermoelektrischen P-Zonen und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen N-Zone die beiden thermoelektrischen P-Zonen positiv oder negativ gegenüber der thermoelektrischen N-Zone vorgespannt sind.

10. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der Spannung zwischen der thermoelektrischen N-Zone und der einen thermoelektrischen P-Zone kleiner als der Absolutwert der Spannung zwischen der thermoelektrischen N-Zone und der anderen thermoelektrischen P-Zone ist.

11. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die thermoelektrische N-Zone und eine thermoelektrische P-Zone eine Gleichspannung und an die thermoelektrische N-Zone und die andere thermoelektrische P-Zone eine Gleich- und/oder Wechselspannung angelegt sind.

12. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement, bei dem die thermoelektrischen Materialien für die einzelnen Zonen derart gewählt sind, daß die Peltierspannung der thermoelektrischen N-Zone gegen die eine thermoelektrische P-Zone kleiner als die Peltierspannung der thermoelektrischen N-Zone gegen die andere thermoelektrische P-Zone ist, die Spannungen an der thermoelektrischen N-Zone und den beiden thermoelektrischen P-Zonen jeweils gleich der Peltierspannung zwischen diesen Zonen sind.

13. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement mit thermoelektrischen P-Zonen aus dem gleichen thermoelektrischen Material an die thermoelektrische N-Zone und eine thermoelektrische P-Zone eine Spannung angelegt ist, die kleiner als die Peltierspannung zwischen der thermoelektrischen N-Zone und dieser thermoelektrischen P-Zone ist, während an die thermoelektrische N-Zone und die andere thermoplastische P-Zone eine Spannung angelegt ist, die gleich der Peltierspannung zwischen diesen beiden Zonen ist.

14. Betriebsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement mit zwei thermoelektrischen N-Zonen (1, 3) und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen P-Zone (2) eine thermoelektrische N-Zone positiv gegenüber der thermoelektrischen P-Zone und die andere thermoelektrische N-Zone negativ gegenüber der thermoelektrischen P-Zone vorgespannt ist (Fig. 3).

15. Betriebsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bauelement mit zwei thermoelektrischen N-Zonen und einer dazwischenliegenden thermoelektrischen P-Zone die beiden thermoelektrischen N-Zonen positiv oder negativ gegenüber der thermoelektrischen P-Zone vorgespannt sind.

16. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die größere der beiden an die thermoelektrischen Zonen angelegten Spannungen kleiner oder gleich der doppelten Peltierspannung zwischen den beiden thermoelektrischen Zonen ist, an die sie angelegt ist.

17. Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren elektrischen Bauelementes nach einem der An-

Sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement bei tiefen Temperaturen betrieben wird.

18. Anwendung des steuerbaren elektrischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Bauelement in integrierten Schaltungen oder als Mikrowellenbauelement.

19. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermo- ίο

elektrischen Zonen durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung, Aufspritzen oder durch elektrochemisches oder chemisches Plattieren hergestellt werden.

20. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Zonen in Form von dünnen Blechen hergestellt und durch Pressen oder Walzen miteinander verbunden werderf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 515/141