DE1789147A1

DE1789147A1 - Induktives festkoerper-bauelement

Info

Publication number: DE1789147A1
Application number: DE19681789147
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Fujisada; Shosan Iida; Shoei Kataoka; Hideo Yamada
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1967-01-21
Filing date: 1968-01-19
Publication date: 1973-07-26
Also published as: DE1789147B2

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Lied! 8 München 22 Stemsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

A 5674 ''

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

Induktives Festkörper -Bauelement

.-Die .Erfindung betrifft ein induktives Festkörper-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 in der Frage, wie eine Induktivität erhalten werden kann. Es ist zwar bekannt, daß Dioden

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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 Festkörperbauelement zu entwickeln, dessen Ausdehnung dadurch verringert werden kann, daß eine Verbindung desselben mit äußeren Kondensatoren vermeidbar ist, und das ferner eine große induktive Reaktanz aufweist, die zudem geregelt werden kann.

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Diese Auf gäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Sandwich-Anordnung zwischen einem η-Halbleiter und einem p-Halbleiter eine Isolierschicht angeordnet ist und daß beide Halbleiter zwei gemeinsame Elektroden aufweisen, von denen je eine an jeder Stirnfläche angeordnet ist, so daß zwischen diesen Elektroden beim Anlegen eines Magnetfeldes B eine induktive Reaktanz entsteht.

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

Es zeigen:

Fig. IA eine perspektivische Ansicht des Aufbaues eines magneti

schen, induktiven Festkörper-Bauelementes gemäß vorliegender Erfindung, welches n- und p-Halbleiter mit einer dazwischenliegenden Dielektrikumsehicht aufweist;

Fig. IB einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 A, ent

lang der Linie 3B - 3B;

Flg. 1 C eine Ersatzschaltung für die Querschnittebene von Fig. 1 B;

Fig. 2 A eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten

Ausflhrungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Festkörper-Bauelementes;

Fig. 2 B einen Querschnitt durch die Anordnung nach Flg. 2 A längs

der Linie 4B - 4B;

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Flg. 2 C eilten Querschnitt durch die Anordnu^naeh Fig. ■ UTA tttft- /s-.

^; der Verteilung des Hallstromes; · ■ ■ - < :~ ■

Fig_f 3 eine vergleiekendo f>ar£?tellung der GharaJsteristiken der In

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^ßAD ORIGINAL

In den Fig, IA, lü, IC 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. IA 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 indem 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. IB). Die unterschiedlichen Vorzeichen in beiden Halbleitern beruhen darauf, daß ein p-Halbleiter eine Hallkonstante mit umgekehrten Vorzeichen wie 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. IB gestrichelt dargestellt ist.

Die Ersatzschaltung hierzu ist in Fig. IC dargestellt. Durch die elektromotorische Hallkraft V« wird bewirkt, daß ein HallstromfluÖ 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

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erzeugt wird, eilt daher der Phase des Hauptstromes I voraus, das Bau-, ; element liefert daher eine induktive Reaktanz. Der Wert der Induktivität , ist eine Funktion des angelegten magnetischen Feldes. ,.

'Zur P. stellung des vorgenannten Element-·^ wird eine-dünne, Substanz .,.·... mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten, z. B. Glimmer oderüariumtitanat, 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 Aitfsprühen oder Aufdampfen im Vakuum erzeugt werden.

Bei der tatsächlichen Herstellung können Verunreinigungen, welche p-ar*· tig werden, auf einer Oberfläche des n-Haibleiters verstreut werden, 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 könnten auch Verunreinigungen, die einen Halbleitertyp in einen anderen verwandeln, auf eine Oberfläche eines der Halbleiter aufgebrächt werden, um damit das induktive Bauelement in einem Teil herzustellen.

Ih Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Jbauelementee dargestellt. Gemäß Fig. 2 besteht das zwischen dem n-Halbleiter 5 und dem p-Halbleiter 6 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 Dtölttttrt· zttätsfconstante ausgefüllt werden kann.

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ÖAD

Wennlief dieser Anordnung ein magnetisches "Feld angelegt iv ird, so fließt wie infi^v 2G dargestellt, ein Hallst rom, wobei mn allem mich im Bereich der !Juden und Seiten Stromlinien vorhanden sind. Dei Weg des Hallsti'omes in dein n- und dem ρ-Halbleiter wird somit durch die Verwendti'i^.iK?i*"x1ii'.l%tiiäe'he.n"Sehic:hte.n.4, die eine hohe IHeIeIcIr izitätfckon-' lUiwÄ^liai^iiHöid^W'Bande-des Bauelementes angeordnet sind, vergrößert. Die senkundare, durch den Ha list rom erzeugte Hallspannung erhöht sieh " und man erhält eine größere induktive Reaktanz.

ZuVergleieliszweckenm igt Fig. 3 das Ergebnis eines Versuches, der , mit ^Halbleitern 5 aus InSIr und p-Halbleitern 6 aus Ge durchgeführt wurde, wobei als dielektrische Zwischenschicht 4 BaTiO vorhanden war. um dex grapiviiiduui darstellung nach Flg. ,3 ist auf der Abszisse die magnetische Fhifidichte BfKGauB) aufgetragen, während auf der Ordinate 4ie incluzifi te Induktivitiit L ( μ H) sowie die Werte von Q bei Raum- und 1 kHz.iiuigetragensind. . . .

I)ie MeSwcrt e für L und Q sind mit "o" und ." Δ " dargestellt, wobei die vollλ-ηηϊ fiphwarz*ausgezeielmpten kreis- bzw. dreie^vksförmip.en "Punkte" eine Ätt'ii'driimn gemiiß Flg. 3 "hetrelfpn, bei der die ^eiiiesFcrung gemäß Flg. Ά;nirltt durchgf iührt ww df. Die nie lit voll und sclnvai7 ausgiz^ich- TM ten -hu IS^ bzw> dreienksförmigen "Puiikte" betreffen dagegen eine Anordming liemp Fig. 2. Fig. 3 zeigt demnach deutlich die Veiljesserung, die dureh das Entfernen des Teiles 8 der dielektrischen Zwischenschicht orttfdii^ekder^n Ersetzung durch
f Witi izlti^s^imstante ecrreicJU; werden kann. ,

wird die vorgenannte Anordnung toei einem magnein T'e^tköi per«lemeisl benutzt, bei dem dünne dielekti iscJie b* idtn St iteii eines n-Halbleiters vorgesehen und ein ikler Metaltoti-eifen in AJiiständen auf der Außenflache angoixrdnet kind.

OAD ORIGINAL

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

Wie Fig. 4 zu entnehmen, sind Permanentmagnete, z. B. Ferritmagnete 16, zu beiden Seiten des Elementes 15 angeordnet. Die ganze Anordnung kann durch Joche 17 eingeschlossen sein, die, wie Fig. 5 zu entnehmen, eine hohe Permeabilität aufweisen.

Je kürzer der Abstand zwischen den anzubringenden ferro;magnetischen 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 . möglichst dünn gemacht werden soll. Wie vorstehend beschrieben, macht die erfindungsgemäße bloße Anbringung ferromagnetischer Stoffe durch die vorgenannten einfachen Verfahrensschritte die Verwendung eines äußeren magnetischen Feldes entbehrlich.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 werden dünne magnetische Werkstoffe verwendet, um das Magnetfeld für den Halbleiter zu erzeugen. Da es nicht notwendig ist, daß das an dem Halbleiter angelegte magnetische Feld einheitlieh in derselben Richtung angelegt wird, können die magnetischen Werkstoffe längs ihrer Oberfläche magnetisiert werden.

Wie Fig. 6 zu entnehmen, werden dünne magnetische Werkstoffe 17' an beiden Längsseiten des magnetischen induktiven Halbleiterelementes 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 unterschied-

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liehe 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 Stellendes 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. 6 das magnetische Feld nicht im mittleren Teil des Halbleiterelementes 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, kann diese Stelle durch ein Metallstück 18 ersetzt oder kurzgeschlossen werden, wie dies in Fig. 7 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.

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SAD ORIGINAL

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 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 Problemes wird ein Kreis vorgeschlagen, der die in-.duktiven Bauelemente der vorliegenden Erfindung verwendet, wie sie schematisch in Fig. 9 dargestellt sind, und deren Charakteristik Fig. 8 entspricht.

Wie in Fig. 1OA der Zeichnmg dargestellt, ist ein magnetisches induktives Element 15 in den Luftspalt eines magnetischen Kreises 20 einge-

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setzt, wobei ein bestimmter magnetischer Fluß aufgrund eines Erregerstromes I in einer Erregerspule 19 erzeugt wird. Wenn die Spannungsresonanz dieser Anordnung ausgenützt 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. 1OB zeigt eine Ersatzschaltung des in Fig. 1OA !dargestellten Schaltkreises. '

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

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. 12 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 Vorteilbesteht, daß aufgrund der Trennung des Gleichstromkreises zum Steuern der Abstimmung von dem Höchfrequenzkreis, der abgestimmt wer-

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den 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

.-13.- Patentansprüche

1. Induktives Festkörper -Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß in Sandwich-Anordnung zwischen einem n-Halbleiter (5) und einem p-Halbleiter (6) eine Isolierschicht (4) angeordnet ist und daß beide Halbleiter (5, 6) zwei gemeinsame Elektroden (7) aufweisen, von denen je eine an jeder Stirnfläche angeordnet ist, so daß zwischen diesen Elektroden (7) beim Anlegen eines Magnetfeldes B eine induktive Reaktanz entsteht.

2. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dieleketrizitätskonstante der Isolierschicht (4) an den Randteilen größer ist als im mittleren Bereich (8) der Isolierschicht (4).

3. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwich-Anordnung sich ergibt aus von einer Oberfläche des η-Halbleiters mit einer bestimmten Tiefe eindiffundierten Verunreinigungen, wodurch der p-Halbleiter sich bildet und die Isolierschicht (4) eine Übergangszone mit hohem Widerstand zwischen dem n- und p-Halbleiter ist.

4. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch-1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwich-Anordnung sich ergibt aus von einer Oberfläche des p-Halbleiters mit einer bestimmten Tiefe eindiffundierten

■-, Verunreinigungen, wodurch der η-Halbleiter sich bildet und die Isolierschicht (4) eine Übergangszone mit hohem Widerstand zwischen dem p- und η-Halbleiter ist.

5. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Oberflächen der Sandwich-Anordnung Magnetkörper (16),durch deren Magnetfeld die induktive Reaktanz zwischen den Elektroden (7) erzeugt wird, angeordnet sind. ⁽

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6. Induktives Festkörper-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkörper (16) durch Joche (17) eingeschlossen sind.

7. Induktives Festkörper-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Anordnung zwischen Polen eines Elektromagneten (20), wobei die erzeugte induktive Reaktanz durch den dem Elektromagneten zugeführten Strom regelbar und zur Frequenzabstimmung verwendbar ist.

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