DE1615683A1 - Magnetisches induktives Festkoerper-Bauelement - Google Patents

Description

1615683 Patentanwalt Dipl-Phys. Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

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AGENCY of INDUSTRIALSCIENCE & TECHNOLOGY 3-1, Kasumigaseki 1 chome, Chiyoda-ku, TOKYO/JAPAN

Magnetisches, induktives Festkörper-Bauelement

Die Erfindung betrifft ein magnetisches, induktives Bauelement, welches auf dem Halleffekt beruht und im wesentlichen aus Halbleitern besteht. Die Herstellung von Kondensatoren mit Halbleitern bereitet keine Schwierigkeiten, wohl aber die Herstellung von Induktionsspulen, die äußerst schwierig ist. Das größte Problem der gegenwärtigen Halbleitertechnologie, insbesondere bei der Technologie integrierter Kreise, liegt nämlich

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-Ι να, der Frage, wie eine Induktivität erhalten werden kann. Es ist zwar bekannt, daß Dioden bei bestimmten Frequenzen einen induktiven Effekt zeigen. Sie können daher nur in einem bestimmten Frequenzbereich verwendet werden. Eine allgemeine Anwendung ist jedoch nicht möglich.

Zur Lösung des genannten Problems wurde schon eine magnetische Impedanz-Vorrichtung vorgeschlagen. Eine derartige magnetische Impedanz-Vorrichtung enthält einen Halbleiter mit hoher Beweglichkeit und großer Halbkonstante, wobei mindestens ein Kondensator in solcher Weise an ihr angebracht ist, daß der Kondensator mit den gegenüberliegenden Seiten des Halbleiters verbunden ist. Die Impedanz, im speziellen-ein induktiver Widerstand, entsteht zwischen den Elektroden der Vorrichtung und wird durch die Stärke eines rechtwinkelig zu der Vorrichtung angelegten Magnetfeldes geändert. Durch die Verwendung mehrerer solcher Kondensatoren kann die Charakteristik der Vorrichtung erheblich verbessert werden. Es zeigt sich jedoch, daß die Größe einer solchen Impedanz-Vorrichtung wegen der Anzahl der Kondensatoren anwächst, so daß jede eine große Ausdehnung aufweist. Schuld daran sind die Kondensatoren, die alle sehr groß sind, und die mit dem Halbleiter verbunden werden müssen. Der induktive Widerstand, der auf diese Weise erhalten wird, ist zudem nur gering, da der gesamte Körper des Halbleiters nicht wirkungsvoll ausgenutzt werden kann. Unter der Bezeichnung "magnetische Impedanz-Vorrichtung" ist eine Vorrichtung zu verstehen, bei der die Impedanz, im speziellen die Reaktanz, durch das angelegte Magnetfeld verändert wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Fest-■ körperbauelement zu entwickeln, dessen Ausdehnung dadurch verringert werden kann, daß eine Verbindung desselben mit äußeren Kondensatoren

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vermeidbar ist, und das ferner eine große induktive Reaktanz aufweist, die zudem geregelt werden kann. Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß ein n- oder p-Halbleiter wenigstens an einer Seitenfläche mit einer isolierenden Schicht versehen ist und daß auf der freien Seite dieser isolierenden Schicht ein p- oder η-Halbleiter oder mindestens ein Metallstreifen aufgebracht ist, und daß an der oberen und an der unteren Seite der so gebildeten Einheit je eine Strom elektrode angebracht ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. IA eine Schemaansicht von einem magnetischen Impedanz-Bauelement, in der das Prinzip, von dem erfindungsgemäß ausgegangen wird, dargestellt ist;

Fig. IB die Ersatzschaltung der Anordnung nach Fig. IA;

Fig. 2 eine Übersichtdarstellung eines Impedanz-Bauelementes,

das mit mehreren mit Kondensatoren verbundenen Hallelektroden versehen ist;

Fig. 3A eine perspektivische Ansicht des Aufbaues eines magnetischen, induktiven Festkörper-Bauelementes gemäß vorliegender Erfindung, welches n- und p-Halbleiter mit einer dazwischenliegenden Dielektrikumschicht aufweist;

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Fig. 3B einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3A, entlang der Linie 3B - 3B;

Fig. 3C eine Ersatzschaltung für die Querschnittebene von Fig. 3B;

Fig. 4A eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Festkörper- Bauelementes;

Fig. 4B einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 4A längs der Linie 4B - 4B;

Fig. 4C einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 4A mit der Verteilung des Hallstromes;

Fig. 5 eine vergleichende Darstellung der Charakteristiken der in

Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsformen;

Fig. 6A eine perspektivische Ansicht des Aufbaues eines induktiven Festkörper-Bauelementes, bei dem dielektrische Schichten und Metallstreifen auf der freien Oberfläche eines Halbleiters vorgesehen sind;

Fig. 6B einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 6A entlang der Linie 6B - 6B;

Fig. 6C eine Ersatzschaltung für die Querschnittsebene von Fig. 6B;

Fig. 7A weitere bevorzugte Ausführungsformen von induktiven mitl2A

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Festkörper-Bauelementen mit hei Fig. 6 modifizierten Konstruktionsdetails;

Fig. 7B mit Querschnitte durch die in Fig. 7A mit Fig. 12A gezeigten

Fiff 12B
^B* induktiven Festkörper-Bauelemente entlang der Linien

7B-7B, 8B-8B, 9B-9B, lOB-lOB, 11B-11B und 12B-12B;

Fig. 7C eine Ersatzschaltung für die Querschnittsebene von

Fig. 7B;

Fig. 8C einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 8A mit

der Verteilung des Hallstromes;

Fig. 13 eine Seitenansicht eines induktiven Festkörper-Bauele

mentes gemäß vorliegender Erfindung, das auf beiden Seiten mit je einem Permanentmagneten versehen ist;

Fig. 14 eine Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, bei der die

vorgenannte Anordnung eingeschlossen durch ein Joch dargestellt ist;

Fig. 15 einen Vertikalschnitt durch das induktive Festkörper-

Bauelement, eine Anordnung, bei der Permanentmagnete auf beiden Seiten desselben angeordnet sind;

Fig. 16 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel zu

der vorgenannten Anordnung;

Fig, 17 eine perspektivische Ansicht eines tndgktiseni ffte st körper-

elementes;

Fig. 18 die Charakteristik des induktiven Festkörper-Bauele

mentes·,

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Fig. 19 Beispiele von elektronischen Abstimmsehaltungen, bei

denen die induktiven Festkörper-Bauelemente verwendet werden können.

Gemäß Fig. IA ist ein Halbleiterelement 1 mit Stromanschlüssen 2 versehen sowie mit einem Kondensator als Last zwischen Hallanschlüss.n 3, die an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterelementes 1 angebrach; sind. Wird nun ein Magnetfeld B an das Halbleiterelement 1 angelegt una liegt eine entsprechende Last zwischen den beiden Hallelektroden 3, so fließt ein Hallstrom i in dem Halbleiter 1 von einer der Elektroden zu der anderen. Dieser Hallstrom i, der durch den Halbleiter 1 fließt, erzeugt nun gemeinsam mit dem angelegten Magnetfeld B eine sekundäre Hallspannung, die sich zu der Spannung addiert, die" zwischen den Elektri den 2 für die Stromführung anliegt. Die Elektroden 2 sind an den oberen und unteren Enden des Halbleiters 1 angebracht.

Wenn nun,wie in Fig. 1 gezeigt, ein Kondensator als Last zwischen den Hallelektroden 3 angebracht wird, fließt durch den Halbleiter 1 ein Kalistrom i, dessen Phase gegenüber der des Hauptstromes I vorauseilt. Dieser Hallstrom entsteht durch den Halleffekt, der durch den zwischen den Elektroden 2 fließenden Hauptstrom I erzeugt wird. Durch den Einfluß des Magnetfeldes B erzeugt dieser Hallstrom eine sekundäre Hallspannung, die sich zu der Klemmspannung zwischen den Stromelektroden 2 addiert. Die Phase des Hallstromes und damit auch die Phase der Klemmspannung eilen gegenüber der des Hauptstromes voraus, so daß der Halbleiter eine induktive Wirkung bekommt und damit eine induktive Reaktanz darstellt.

Eine Ersatzschaltung für das in Fig« IA gezeigte Bauelement ist in Fig. IB dargestellt. Die Impedanz dieses Bauelementes kann als eine Summe einer Widerstandskomponente R und einer Blindwiderstands-

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die komponente X dargestellt werden, wobei/Widerstandskomponente R als Summe eines Widerstandes R«, welcher dem Widerstand R entspricht, wenn kein Magnetfeld anliegt, und einem Widerstand R (B), der eine Funktion des angelegten Magnetfeldes ist, dargestellt werden kann. Die Reaktanz X kann ebenfalls als eine Funktion des angelegten Magnetfeldes durch X (B) dargestellt werden.

Aus dem vorstehenden ist das Prinzip einer magnetischen Impedanzanordnung ersichtlich. Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß der Wert der erzeugten Induktivität gering ist und daß überdies der Wirkungsgrad und die Ausnutzung niedrig sind.

Diese Nachteile wurden teilweise dadurch vermieden, daß die Hallstromanschlüsse der in Fig. IA gezeigten Anordnung in Form von Mehrfachanschlüssen ausgebildet wurden. Wie Fig. 2 zu entnehmen, sind auf einem Halbleiter 1 mehrere Hallstromanschlüsse 3-, 3„, 3 -, 3 vorgesehen. Der Halbleiter 1 weist eine hohe Beweglichkeit und einen hohen Hallkoeffizienten auf. Kapazitive Lasten X^₁ X^, ^x _cn_i> ^x _cn ^sind Jeweils mit einem Paar der entsprechenden Hallelektroden verbunden, so daß der Wert der Induktivität vergrößert wird, welcher zwischen den Stromanschlüssen 2 durch das angelegte Magnetfeld erzeugt wird.

Bei einer vergleichenden Betrachtung der beiden vorstehend beschriebenen Elemente ergibt sich folgendes:

Wenn z.B. nur ein Paar von Hallstromanschlüssen vorgesehen ist, beträgt der Wert der Reaktanz X. , die von einer magnetischen Flußdichte vor 10 KGauß erzeugt wird, ungefähr 1,40. In diesem Fall - der Widerstand R₁ des Elementes ohne Magnetfeld beträgt ungefähr 1Q - ist das

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Verhältnis von Reaktanz zu Widerstand X. /R- ungefähr 1,4.

Wenn aber die Zahl der Hallanschlüsse gemäß Fig. 2 gewählt ist, wird das vorgenannte Verhältnis bei einer Flußdichte von 10 KGauß ungefähr gleich 10. Dieser Wert kann sowohl theoretisch bestimmt als auch durch Versuche tiberprüft werden. Bei einer Anordnung mit einer Vielzahl von Hallelektroden ist das genannte Verhältnis demnach um einen Faktor 7 gegenüber einer Anordnung mit nur zwei Hallelektroden verstärkt.

Die obigen Beispiele von magnetischen Impedanz-Bauelementen bilden die Grundlage für die vorliegende Erfindung, die anhand der folgenden Beispiele besprochen werden soll.

In den Fig. 3A, 3B, 3C ist ein Bauelement dargestellt, bei dem eine dielektrische Schicht 4 zwischen einem n-Halbleitermaterial 5 und einem p-Halbleiter 6 angeordnet ist. Herkömmliche metallische Anschlüsse 7 sind oben und unten vorgesehen.

Wenn, wie Fig. 3A zu entnehmen, ein Magnetfeld B angelegt wird, welches, wie dargestellt, senkrecht zu den Seitenebenen des Bauelementes verläuft,' und ein Strom I von unten durch die untere Elektrode 7 nach oben zu der oberen Elektrode 7 durch das Element hindurchgeschickt wird, entsteht eine derartige elektromotorische Hallkraft in dem n-Halbleiter 5, daß seine rechte Seite positiv und seine linke Seite negativ wird. Bezüglich des p-Halbleiters 6 wirkt sich der Hallkoeffizient umgekehrt aus, d. h. die rechte Seite wird negativ und die linke Seite wird positiv (Fig. 3B). Die unterschiedlichen Vorzeichen in beiden Halbleitern beruhfcnMaraijf, daß ein p-Halbleiter eine Hallkonstante mit umgekehrten Vorzeichen wie '

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ein η-Halbleiter hat.

Wenn ein Wechselstrom in dem Element fließt, sind die Richtungen der elektromotorischen Hallkräfte, die jeweils in den n- und p-Halbleitern erzeugt werden, einander entgegengerichtet/und es fließt ein Hallstrom i kreisförmig und quer durch die dielektrische Schicht 4, wie dies in Fig. 3B gestrichelt dargestellt ist.

Die Ersatzschaltung hierzu ist in Fig. 3C dargestellt. Durch die elektromotorische Hallkraft V™ wird bewirkt, daß ein Hallstromfluß i durch die von der dielektrischen Schicht gebildete Kapazität fließt. Die Phase dieses Hallstromes i eilt deshalb gegenüber der des Hauptstromes I voraus und der der elektromotorischen Hallkraft V_H. Die Phase der resultierenden sekundären Hallspannung, die zwischen den oberen und unteren Stromanschlüssen 2 aufgrund des sekundären Halleffektes durch den Hallstrom i erzeugt wird, eilt daher der Phase des Hauptstromes I voraus, das Bauelement liefert daher eine induktive Reaktanz. Der Wert der Induktivität ist eine Funktion des angelegten magnetischen Feldes.

Zur Herstellung des vorgenannten Elementes wird eine dünne Substanz mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten, z.B. Glimmer oder Barium titanat, auf der Oberfläche eines Halbleiters angeordnet. Weiterhin ist es möglich, den Halbleiter selbst einer anodischen Oxydationsbehandlung zu unterziehen, wobei eine sehr dünne dielektrische Schicht auf seiner Oberfläche erzeugt wird, oder es kann eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche des Halbleiters durch Aufsprühen oder Auf dampf en im Vakuum erzeugt werden.

Bei der tatsächlichen Herstellung können Verunreinigungen, welche p-artig werden, auf einer Oberfläche des η-Halbleiters verstreut werden,

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oder Verunreinigungen, welche η-artig werden, können auf einer Seite des p-Halbleiters verstreut werden, wobei sich eine Zwischenisolierschicht bildet. Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens ist es möglich, extrem dünne Elemente mit hoher Ausnutzung und hohem Wirkungsgrad herzustellen. Es können auch Verunreinigungen, die einen Halbleitertyp in einen anderen verwandeln, auf eine Oberfläche eines der Halbleiter aufgebracht werden, um damit das induktive Bauelement in einem Teil herzustellen.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Bauelementes dargestellt. Gemäß Fig. 4 besteht das zwischen dem n-Halbleiter 5 und dem p-Halbleiter β liegende Dielektrikum 4, d. h. der Nichtleiter, aus zwei außen liegenden Teilen 4, die einen Zwischenraum 8 zwischen sich einschließen, der auch von einem Isolator niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt werden kann.

Wenn bei dieser Anordnung ein magnetisches Feld angelegt wird, so fließt wie in Fig. 4C dargestellt, ein Hallstrom, wobei vor allem auch im Bereich der Enden und Seiten Stromlinien vorhanden sind. Der Weg des Hallstromes in dem n- und dem p-Halbleiter wird somit durch die Verwendung der dielektrischen Schichten 4, die eine hohe Dielektrizitätskonstante haben und am Rande des Bauelementes angeordnet sind, vergrößert. Die sekundäre, durch den Hallstrom erzeugte Hallspannung erhöht sich hierdurch und man erhält eine größere induktive Reaktanz.

Zu Vergleichszwecken zeigt Fig. 5 das Ergebnis eines Versuches, der mit n-Halbleitern 5 aus IhSb und p-Halbleitern β aus Ge durchgeführt wurde, wobei als dielektrische Zwischenschicht 4 BaTiOgVorhanden war. Bei der graphischen Darstellung nach Fig. 5 ist auf der Abszisse die

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magnetische Flußdichte B (KGauß) aufgetragen, während auf der Ordinate die induzierte Induktivität L ( μH) sowie die Werte von Q bei Raumtemperatur und 1 kHz aufgetragen sind.

Die Meßwerte für L und Q sind mit "o" und "Δ " dargestellt, wobei die voll und schwarz ausgezeichneten kreis- bzw. dreiecksförmigen "Punkte" eine Anordnung gemäß Fig. 3 betreff en, bei der die Verbesserung gemäß Fig. 4 nicht durchgeführt wurde. Die nicht voll und schwarz ausgezeichneten kreis- bzw. dreiecksförmigen'IPunkte " betreffen dagegen eine Anordnung gemäß Fig. 4. Fig. 8 zeigt demnach deutlich die Verbesserung, die durch das Entfernen des Teiles 8 der dielektrischen Zwischenschicht oder durch deren Ersetzung durch ein Dielektrikum mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante erreicht werden kann» .

Besonders vorteilhaft wird die vorgenannte Anordnung bei einem magnetischen induktiven Festkörperelement benutzt, bei dem dünne elektrische Substanzen auf beiden Seiten eines η-Halbleiters vorgesehen und ein oder mehrere Metallstreifen in Abständen auf der Außenfläche angeordnet sind.

Wie Fig. 6 zu entnehmen, ist eine dielektrische Schicht 11 auf der Oberfläche eines Halbleiters 9 (z. B. Indium-Antimonid vom η-Typ) angeordnet, an dessen oberem und unterem Ende Anschlüsse 10 vorgesehen sind. Auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 11 sind mehrere Metallstreifen 12 rechtwinkelig zur Richtung des Hauptstromes I und bevorzugt in gleichen Abständen vorgesehen. Bei diesem Element wird eine elektromotorische Hallkraft V_H in Querrichtung im Halbleiter 9 durch Anlegen eines magnetischen Feldes B erzeugt.

Diese elektromotorische Hallkraft wird durch die Metallstreifen längs _B3516 009813/0985

der dielektrischen Schicht 3 kurzgeschlossen, und es fließt ein Hallstrom i,j in dem Halbleiterelement in Richtung der Metallstreifen, wie dies in Fig. 6B gestrichelt dargestellt ist. Die Phase des Hallstromes i„ eilt gegenüber der elektromotorischen Hallkraft V„ und des Hauptstromes I voraus. Eine Ersatzschaltung für diesen Querschnitt ist in Fig. 6C dargestellt.

Die Phase der sekundären elektromotorischen Hallkraft, welche durch diesen Hallstrom i„ erzeugt wird, eilt somit vor, und da sie über den Stromanschlüssen 10 angelegt ist, eilt die Phase der Spannung gegenüber der des Hauptstromes I vor, so daß das Element als Induktivität wirkt und zwischen den Elektroden 10 eine induktive Reaktanz entsteht.

Dei der vorgenannten Anordnung genügt eine Art von Halbleitern zur Herstellung eines Elementes. Wenn ein η-Halbleiter hoher Beweglichkeit benutzt wird, kann der Verlust des Halbleiters selbst sehr klein gehalten werden, so daß damit ein wirkungsvolles Bauelement hergestellt werden kann. In den Fig. 7 mit 12 sind weitere Aueführungsformen des in Fig. 6 gezeigten induktiven Bauelementes dargestellt, die noch geeignetere Charakteristiken zeigen, und bei denen eine größere Anzahl von Metallstreifen verwendet wird.

Wenn die zuvor beschriebenen Anordnungen auf beiden Seiten eines Halbleiters 9 vorgesehen werden, können weitere Vorteile erzielt werden, wie dies aus den Fig. 7A bis 7C und der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist.

Die Metallstreifen 12 werden in Querrichtung angeordnet, um nur die elektromotorische Hallkraft kurzzuschließen. Zwischen den Metallstrei-

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fen selbst muß ein Zwischenraum vorgesehen werden, um einen Durchfluß des Hauptstromes durch dieselben zu vermeiden.

Die Anordnung der Metallstreifen kann durch Elektroplattieren, Aufdampfen im Vakuum oder Aufdrucken erfolgen. Wenn Nickel oder andere elektrisch leitende magnetische Stoffe wie NiFe, N₂Co, Fe oder Co benutzt werden, gelingt es, die Induktivität weiterhin zu erhöhen und zu verbessern, denn die genannten Stoffe magnetisieren selbst bzw. konzentrieren den magnetischen Fluß.

Bi Fig. 8 ist eine weiter^verbesserte Ausführungsform dargestellt. Ih der Mitte auf der Seitenfläche eines Halbleiters 9, an dem Anschlüsse befestigt sind, ist ein Isolator 13 niedriger dielektrischer Konstante in Richtung des Hauptstromes vorgesehen, wobei zu beiden Seiten zwei Platten 14 aus einem Werkstoff hoher dielektrischer Konstante angeordnet sind. An der Oberfläche sind Metallstreifen 12 in Richtung des Hallstromes vorgesehen. Die Fig. 8B und 8C zeigen einen Querschnitt bzw. die Verteilung des Hallstromes, woraus ersichtlich ist, daß der Weg des Stromes innerhalb des Halbleiters 9 vergrößert worden ist, was die erwünschte Verbesserung mit sich bringt.

Da bei den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen der Strom kreisförmig selbst im Mittelpunkt des Halbleiters zirkuliert, kann der Halleffekt im Halbleiter nicht vollständig ausgenutzt und entwickelt werden, denn die einheitliche Breite der Metallstreifen verursacht eine einheitlich verteilte Kapazität. Um diesem abzuhelfen, ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ein Metallstreifen 12 vorgesehen, der im mittleren Teil eingeschnürt ist. Hierdurch wird die Kapazität zwischen dem Metallstreifen 9 und dem Halbleiter 1 im mittleren Teil des Elementes

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klein gemacht, während sie im äußeren Teil groß ist. Wie Fig. 9B zu entnehmen, ist der das Dielektrikum 11 durchfließende Hallstrom vor allem im Bereich der Randteile vorhanden. Der Weg des in Querrichtung innerhalb des Halbleiters 9 fließenden Hallstromes wird deshalb vergrößert, so daß der Halleffekt im Halbleiter besser ausgenutzt werden kann und die Induktivität wirksamer wird.

Wie vorstehend beschrieben, sind die Metallstreifen an ihren beiden Enden breiter als in der Mitte, so daß an diesen Stellen größere Kapazitäten vorhanden sind. Um denselben Effekt, wie weiter vorstehend beschrieben, zu erhalten, wird bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach den Fig. 10, 11 und 12 die dielektrische Schicht gegen den Randteil dünner ausgeführt. Bei dieser Anordnung ist die Kapazität zwischen dem Halbleiter 10 und dem Metallstreifen 12 zu beiden Seiten des Elementes groß und im mittleren Bereich klein. Wenn ein Magnetfeld vertikal angelegt wird, stellt sich eine Verteilung des Hallstrom es im Querschnitt ein, wie sie in den Fig. 1OB, HB und 12B dargestellt ict. Aufgrund der Tatsache, daß der in Querrichtung innerhalb des Halbleiter· 10 fließende Hallstrom anwächst, werden der Halleffekt im Halbleiter sehr wirksam genutzt und die Induktivität verbessert.

Für die bei der vorgenannten Anordnung durch anodische Oxydation herzustellende dielektrische Schicht wird der z. B. aus InSb bestehende Halbleiter oberflächenpoliert und in einen verdünnten Elektrolyten, z, B. KOH, als Anode eingetaucht. Außerdem wird eine weitere Platte, die die Kathode bildet und aus einem anderen leitenden Werkstoff besteht, in die Lösung eingetaucht. Wenn die Anode und Kathode an den positiven und den ; ■-&- tiven Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen werden, findet an ar

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Anode eine Oxydation statt, so daß eine isolierende dielektrische Schicht entsteht.

Wie vorstehend angedeutet, muß, um der Forderung nach Induktivität zu genügen, das Magnetfeld B vertikal zu den Halbleitern ausgerichtet sein. Hierzu werden erfindungsgemäß folgende Vorkehrungen getroffen.

Wie Fig. 13 zu entnehmen, sind Permanentmagnete, z. B. Ferritmagnete zu beiden Seiten des Elementes 15 angeordnet. Die ganze Anordnung kann durch Joche 17 eingeschlossen sein, die, wie Fig. 14 zu entnehmen, eine hohe Permeabilität aufweisen. Insbesondere bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6 und 7 ist es von Vorteil, die Metallstreifen durch Anlegen des starken Magnetfeldes permanent zu magnetisieren, wenn dieselben durch Aufsprühen, Aufdampfen oder Elektroplattieren aufgebracht werden, wobei Nickel benutzt werden kann, welches ferromagnetisch ist und eine große elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Je kürzer der Abstand zwischen den anzubringenden ferromagnetischen Stoffen (Magnete) ist - Dicke des zwischen den beiden Magneten angeordneten Elementes 15 - desto größer ist die magnetische Flußdichte, die durch das Element 10 hindurchgeht, was zur Folge hat, daß die induktive Reaktanz und der Q-Wert größer werden. Hieraus folgt, daß das Element IE möglichst dünn gemacht werden soll. Wie vorstehend beschrieben, macht die erfindungsgemäße bloße Anbringung ferromagnetischer Stoffe durch die vorgenanntenjeinfachen Verfahrensschritte die Verwendung eines äußeren magnetischen Feldes entbehrlich.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 15 werden dünne magnetische Werkstoffe verwendet, um das Magnetfeld für den Halbleiter zu erzeugen.

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Da es nicht notwendig ist, daß das an dem Halbleiter angelegte magnetische Feld einheitlich in derselben Richtung angelegt>wird, können die magnetischen Werkstoffe längs ihrer Oberfläche magnetisiert werden.

Wie Fig. 15 zu entnehmen, werden dünne magnetische Werkstoffe 17' an beiden Längsseiten des magnetischen induktiven Halbleiter el em entes angeklebt und die Magnetisierung wird längs der Oberflächen jeweils in entgegengesetzter Richtung durchgeführt. Es wirkt somit ein magnetisches Feld vertikal auf den Halbleiter 15 ein, wobei die magnetischen Kraftlinien in der oberen und der unteren Hälfte des Elementes unterschiedliche Richtung haben, wie sie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 15 dargestellt ist.

Es ist nicht immer notwendig, daß die auf den Halbleiter einwirkenden Magnetfelder eine konstante Richtung aufweisen und eine konstante einheitliche Größe haben. Der Grund hierfür liegt darin, daß der sekundäre Halleffekt des Halbleiters zweimal ausgenutzt wird und das Entstehen der induktiven Reaktanz somit unabhängig von der Richtung ist. Selbst wenn der Betrag und die Größe des magnetischen Feldes an den verschiedenen Stellen des Halbleiters verschieden ist, kann die elektromotorische Hallkraft durch eine Integration über die Flußdichteverteilung dargestellt werden, so daß diese Nichteinheitlichkeit keine schädlichen Auswirkungen zeigt.

Da bei einer Anordnung gemäß Fig. 15 das magnetische Feld nicht im mittleren Teil des Halbleiter eiern entes 15 angelegt wird, ist dieses frei von der magnetischen Induktivität, so daß von diesem Teil nur ein reiner Widerstand des Halbleiters in Reihenschaltung zu dem Element beiträgt, wodurch ein gewisser Nachteil entsteht. Um diesem Nachteil abzuhelfen,

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kann diese Stelle durch ein Metallstück 18 ersetzt oder kurzgeschlossen werden, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist.

Wie vorstehend aufgeführt, gelingt erfindungsgemäß eine Verbesserung eines magnetischen induktiven Bauelementes, indem es in Form einer dünnen Platte ausgeführt wird und indem magnetische Werkstoffe an beiden Seiten zur Verstärkung des magnetischen Feldes vorgesehen werden. Die induktiven Bauelemente gemäß vorliegender Erfindung ermöglichen also die Herstellung einer großen Induktanz mit relativ schwachen Magnetfeldern, indem der Hallstrom in dem Halbleiter über dessen gesamtes Volumen verteilt wird, wobei mit Vorteil zumindest ein Teil des Magnetfeldes von mindestens einem mit dem Bauelement fest verbundenen Permanentmagneten oder einem magnetischen Material geliefert wird.

Als Anwendungsbeispiel wird im folgenden ein Frequenzabstimmkreis beschrieben, bei dem eines der besprochenen Bauelemente Anwendung finden kann.

Eine Frequenzabstimmung wird in der Regel allein dadurch erreicht, daß eine Induktionsspule eines bestimmten Wertes mit einem veränderlichen Kondensator kombiniert wird und wobei die Größe der Kapazität mechanisch eingestellt wird. Für eine automatische Frequenzabstimmung ist in der Regel ein relativ komplizierter Mechanismus erforderlich, der meistens einen Servomotor enthält.

Es wurde nun ein elektronisches Abstimmsystem erfunden, welches eine Diode veränderlicher Kapazität enthält, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß die p-n-Übergangszone eines Halbleiters sich entsprechend der Spannung ändert. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, eine Spannung

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von mehr als 10 Volt über der Diode anzulegen, weshalb die Spannungsquelle eines in herkömmlicher Weise transistorisierten Radioempfängers hierfür nicht ausreicht und eine besondere Spannungsquelle benötigt wird. Ein anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß, da eine Gleichstromvorspannung über dem Abstimmkreis angelegt werden muß, ein Gleichstromkreis und ein Kreis hoher Frequenz verbunden sind, wodurch hinsichtlich dieser Kreise starke Einschränkungen bestehen.

Zur Lösung dieses Problem es wird ein Kreis vorgeschlagen, der die induktiven Bauelemente der vorliegenden Erfindung verwendet, wie sie schematisch in Fig. 17 dargestellt sind,und deren Charakteristik Fig. 18 entspricht.

Wie in Fig. 19A der Zeichnung dargestellt, ist ein magnetisches induk tives Element 15 in den Luftspalt eines magnetischen Kreises 20 eingesetzt, wobei ein bestimmter magnetischer Fluß aufgrund eines Erregerstromes I in einer Erregerspule 19 erzeugt wird. Wenn die Spannungsresonanz dieser Anordnung ausgenutzt wird, wird ein Kondensator 21 bestimmter Größe parallel mit dem Element 15 verbunden. Die Abstimmfrequenz dieses Abstimmkreises wird sodann eine Funktion des Erregerstromes und die Abstimmung kann durch ein Steuern des Erregerstromes erreicht werden. Fig. 19B zeigt eine Ersatzschaltung des in Fig. 19A dargestellten Schaltkreises.

Wenn die Stromresonanz ausgenutzt wird, wird das Element 15 in Reihe mit einem Kondensator 21 bestimmter Größe geschaltet. Die Anordnungen nach den Fig. SOA und 2OB zeigen den Aufbau sowie die Ersatzschaltung einer derartigen Anordnung.

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Wenn mehr als zwei Elemente 15 in den Luftspalt des magnetischen Kreises 20 eingesetzt werden, ist es möglich, mehr als zwei Elemente gleichzeitig und unabhängig zu steuern. In Fig. 21 ist ein diesbezügliches Anwendungsbeispiel, ein Superheterodynempfänger, dargestellt. Hierbei ist ein Mischer 22 vorgesehen, sowie ein Zwischenfrequenzausgang 23, ein Zwischenfrequenzverstärker 24 und ein Detektor 25.

Erfindungsgemäß kann die Resonanzabstimmung allein durch elektrische bzw. elektronische Mittel erfolgen. Irgendwelche beweglichen Teile werden nicht benötigt, d. h. jegliche mechanischen Teile können eliminiert werden, so daß eine sehr kleine Baugröße erreicht wird. Außerdem sind praktisch keine Abnutzungserscheinungen vorhanden, und die Zuverlässigkeit wird vergrößert. Weiterhin können mehr als zwei Abstimmvorgänge sehr einfach gleichzeitig durchgeführt werden, wobei außerdem der Vorteil besteht, daß aufgrund der Trennung des Gleichstromkreises zum Steuern der Abstimmung von dem Hochfrequenzkreis, der abgestimmt werden soll, die Ausbildung dieser Kreise keine Schwierigkeiten bereitet, da keine nennenswerten Einschränkungen bestehen.

Aufgrund der Tatsache, daß der Erregerstrom nur ungefähr 1 mA ist, kann eine gewöhnliche Spannungsquelle für Transistoren als Spannungsquelle zum Steuern der Abstimmung benutzt werden.

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Claims (12)

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Patentansprüche

Iy Induktives Festkörper-Bauelement, bei dem die induktive Wirkung durch den Halleffekt bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein n- oder p-Halbleiter (5,9 oder 6,9) wenigstens an einer Seitenfläche mit einer isolierenden Schicht (4,11) versehen ist und daß auf der freien Seite dieser isolierenden Schicht (4,11) ein p- oder n-Halbleiter (6,9 oder 5,9) oder mindestens ein Metallstreifen (12) aufgebracht ist, und daß an der oberen und an der unteren Seite der so gebildeten Einheit je eine Stromelektrode (7,10) angebracht ist.

2. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Halbleiter eine hohe Beweglichkeit und eine große Hallkonstante aufweisen.

3. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht an den Randteilen größer ist als in der Mitte derselben.

4. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer p-n-Übergangszone eines Halbleiters und den Strom elektroden besteht.

5. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite dielektrische Schicht (11) auf der anderen Oberfläche des Halbleiters (9) angebracht ist und daß mindestens ein Metallstreifen (12) an der freien Oberfläche dieser zweiten dielektrischen Schicht (11) angebracht ist.

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6. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (12) senkrecht zur Stromrichtung in dem Halbleiterelement verlaufen.

7. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstechenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Metallstreifen (12) am Rande größer ist als in der Mitte.

8. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Schicht (11) am Rand geringer ist als in der Mitte.

9. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (12) aus einem magnetischen Material bestehen, so daß das Magnetfeld für den Halleffekt durch Metallstreifen erzeugt wird.

10. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein paar magnetischer Teile (16, 17, 17') an den Seiten der Einheit (15) angebracht sind, so daß die induktive Reaktanz zwischen den Stromelektroden durch das von den angebrachten magnetischen Teilen erzeugte Magnetfeld hervorgerufen wird.

11. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den magnetischen Teilen (16) versehene Einheit (15) mit einem Joch (17) aus Material einer hohen Permeabilität

■umgeben sind. ,

0038T3/0985

1615G83

12. Induktives Festkörper-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiter mit großer Beweglichkeit und großer Hallkonstante mit zwei Strom elektroden an gegenüberliegenden Seiten versehen ist und daß eine dielektrische Schicht auf einer Oberfläche des Halbleiters angebracht ist, daß eine größere Anzahl von Metallstreifen auf der freien Oberfläche dieser dielektrischen Schicht befestigt und ein paar magnetischer Teile an den Seitenteilen des Halbleiters angebracht sind, so daß eine induktive Reaktanz zwischen den Strom elektroden durch das Magnetfeld, welches zwischen den magnetischen Teilen entsteht, hervorgerufen wird.

B3516 009813/0985