DE1789147C3 - Induktives Halbleiter-Bauelement, Verfahren zum Herstellen und Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Halbleiter-Bauelement, dessen induktive Wirkung auf dem Hall-Effekt beruht, bei dem ein plättchenförmiger Halbleiterkörper Von einem magnetischen Feld durchsetzt und in einer da/.u senkrechten Richtung an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen mit jeweils einer Elektrode versehen ist, durch die ein elektrischer Strom durch den 6" Halbleiterkörper fließt.

Es ist bekannt, daß ein an ein Halblciterpläuchcn 1111 rechten Winkel angelegtes magnetisches Feld zu einem durch das Halbleiterplättchcn hindurchfließend ;n Strom eine Hallspannung im rechten Winkel zu den ^ft5 Richtungen des Magnetfeldes und des Stromes hervorruft, wobei der Strom über an zwei gegenüberlieg<;nden Stirnflächen des Halbleiterplättchens angeordnete Elektroden angespeist wird. Der durch die Hallspannung hervorgerufene Hallstrom, dessen Phase voreilt, erzeugt eine sekundäre Hallspannung unter der Wirkung des magnetischen Feldes. Diese Spannung wird der Spannung an den Klemmen des Hauptstromes hinzugefügt. Die Phase der Hallspannung eilt gegenüber dem Hauptstrom vor, weshalb das Halbleiter-Bauelement einen induktiven Widerstand zeigt (Proceedings of the IEEE, Band 53, 1965, Nr. 12). Bei dem bekannten Bauelement werden die Hallklemmen über einen äußeren Blindwiderstand miteinander verbunden. Die Induktivität, die hierbei erzielt wird, ist relativ gering und außerdem ergibt sich durch den äußeren Blindwiderstand ein zusätzlicher Raumbedarf.

Ferner ist aus der üS-Patentschrift 32 13 359 bei einem Magnetometer bekannt, ein Hallelement zu verwenden, bei dem zur Vermeidung von Induktivitäten zwischen zwei Halblerterpläitcben eine Isolierschicht angeordnet ist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung jedoch darin, ein induktives Halbleiter-Bauelement der eingangs genannten Art zu zeigen, bei dem unter Vermeidung von äußeren Bauelementen, wie beispielsweise Widerständen, eine Raumersparnis gewonnen werden kann und das eine hohe Induktivität aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Halbleiter-Bauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der plättchenförmige Halbleiterkörper aus einer n-Halbleiterschicht und einer p-Halbleiterschicht besteht, zwischen denen eine Isolierschicht angeordnet ist und daß die an den zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des plättchenförmigen Halbleiterkörpers angeordneten Elektroden jeweils die p- und n-Halbleiterschichten miteinander verbinden.

Bei der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß das induktive Bauelement räumlich auf den plättchenförmigen Halbleiterkörper beschränkt werden kann, ohne daß zur Erzielung einer hohen Induktivität und insbesondere zur Erzielung einer einstellbaren Induktivität zusätzliche äußere Bauteile notwendig sind.

Aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnung soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. IA eine perspektivische Ansicht des Aufbaues eines Ausführungsbeispiels eines induktiven Halbleiter-Bauelements gemäß vorliegender Erfindung, welches n- und p-Halbleiterschichten mit einer dazwischenliegenden Dielektrikumschicht aufweist,

Fig. IB einen Querschnitt durch das Bauelement nach F i g. 1A, entlang der Linie 3ß-3ß,

F i g. IC eine Ersatzschaltung für die Querschniltebene von F i g. IB,

F i g. 2A eine perspektivische Ansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines induktiven Halbleiter-Bauelements,

Fig. 2B einen Querschnitt durch das Bauelement nach F i g. 2A längs der Linie 4Ö-4Ö,

F i g. 2C einen Querschnitt durch das Bauelement nach F i g. 2A mit der Verteilung des Hallstroms,

F i g. 3 eine vergleichende Darstellung der Charakteristiken der in F i g. 1 und F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiele,

Fig.4 in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiol des induktiven Halbleiter-Bauelements gemäß vorliegender Erfindung, das auf beiden Seiten mit je einem Permanentmagneten versehen ist,

F i g. 5 eine Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, bei der das vorgenannte Bauelement eingeschlossen

durch ein loch dargestellt ist.

Fig. 0 einen Vertikalschnitt durch das induktive Halbleiter-Bauelement, bei dem Permanentmagnete auf beiden Seiten angeordnet sind.

F i g. 7 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführung!·- beispiel zu dem vorgenannten Bauelement

Fig. 8 die Charakteristik des induktiven Halbleiter-Bauelements.

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht eines induktiv en Halbleiter-Bauelements.

Fig. 1OA mit 12 Beispiele von elektronischen Abstimmschaltungen, bei denen die induktiven Halbleiter-Bauelemente verwendet werden können.

In den Fig. IA. IB. IC ist ein induktives Halbleiter-Bauelement dargestellt, bei dem eine Isolierschicht 4 '5 zwischen einer n-Halbleiterschicht 5 und einer p-Halbleiterschicht 6 angeordnet ist. Herkömmliche Elektroden 7 sind an den Stirnseiten vorgesehen.

Wenn, wie F i g. 1A /u entnehmen, ein Magnetfeld ΰ angelegt wird, welches, wie dargestellt, senkrecht /ti den Seitenflächen des induktiven Halbleiter-Bauelements verlauft, und ein Strom / von unten durch die untere Elektrode 7 nach oben /u der oberen Elektrode 7 durch das Element hindurchgeschickt wird, entsteht eine derartige elektromotorische Hallkraft bzw. Hall- -5 spannung in der n-Halbleiterschicht 5. daß deren rechte Seite positiv und linke Seite negativ wird. Bezüglich der p-Halbleiterschicht 6 wirkt sich der Hallkoeffizient umgekehrt aus. d. h. die rechte Seite wird negativ und die linke Seite wird positiv (Fig. IB). Die unterschied!!- dien Vorzeichen in beiden Halbleiterschichten beruhen darauf, daß ein p-Halbleiter eine Hallkonstante mit umgekehrten Vorzeichen gegenüber einem n-Halbleiier hat.

Wenn ein Wechselstrom in dem Element fließt, sind die Hallspannungen, die jeweils in den n- und p-Halbleitersehiehten erzeugt werden, emanier cntgegengerichtei, und es fließt ein Hallstrom ;' kreisförmig und quer durch die Isolierschicht 4, wie dies in F i g. 1 B gestrichelt dargestellt ist.

Die Ersatzschaltung hierzu ist in Fig. IC dargestellt. Durch die Hallspannung Vn wird bewirk'«, daß ein Hallstromfluß ; durch die von der dielektrischen Schicht gebildete Kapazität C fließt. Die Phase dieses Hallstroms /eilt deshalb gegenüber der des Hauptstroms /und der elektromotorischen Hallspannung Vn voraus. Die Phase der resultierenden sekundären Hallspannung, die zwischen den oberen und unteren Stromanschlüssen 7 auf Grund des sekundären Halleffektes durch den Hallstrom / erzeugt wird, eilt daher der Phase des Haupt-Stroms / voraus, das Bauelement liefert daher eine induktive Reaktanz. Der Wert der Induktivität ist eine Funktion des angelegten magnetischen Feldes.

Zur Herstellung des vorgenannten induktiven Halbleiter-Bauclements kann eine dünne Substanz mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, z. B. Glimmer oder Bariumtitanat, auf der Oberfläche eines I lalbleiterplättchens angeordnet werden.

Weiterhin ist es möglich, den Halbleiterkörper selbst einer anodischen (Kidationsbchadlung zu unterziehen. ^f'° wobei eine sehr dünne dielektrische Schicht auf seiner Oberfläche erzeugt wird, oder es kann eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche ties Halbleiterkörpers durch Aufsprühen (/der Aufdampfen im Vakuum er /cugi werden. ^l>s

Bei der tatsächlichen Herstellung können Verunreinigungen, welche p-l.eitfähigkeit erzeugen, auf einer Oberfläche eines n-Halbleiterkörpers aufgebracht werden, oder Verunreinigungen, welche η-Leitfähigkeit erzeugen, können auf einer Oberfläche eines p-Halb-Ifciterkörpers aufgebracht werden, und diese derart eindiffundien wtrden, daß sich eine Zwischenisolierschicht bildet. Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens ist es möglich, extrem dünne Bauelemente mit h^- her Ausnutzung und hohem Wirkungsgrad herzustellen. Hierbei nutzt man den Effekt der sogenannten »Kompensation« aus. wobei bei geeigneter Diffusion von Verunreinigungen vom p- oder η-Typ in den Halbleiterkörper sich bekannierweise eine p- und n-Halbleiterschicht und dazwischen eine isolierende eigenleitende Schicht ausbilden.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des induktiven Halbleiter-Bauelements dargestellt. Gemäß F i g. 2 besteht die zwischen der n-Halbleiterschicht 5 und der p-Halbleiterschicht 6 liegende Isolierschicht 4 aus zwei außen liegenden Teilen, die einen Zwischenraum 8 /wischen sich einschließen, der von einem Isolator mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt werden kann.

Wenn bei diesem Bauelement ein magnetisches Feld angelegt wird, so fließt, wie in F i g. 2C dargestellt, ein Hallsirom. wobei vor allem auch im Bereich der Ende ι und Seiten Stromlinien vorhanden sind. Der Weg djs Hallstroms in den n- und p-Halbleitersehichten wird somit durch die Verwendung der Iso'ierschichten 4. die eine hohe Dielektrizitätskonstante haben und am Rande des Bauelements angeordnet sind, vergrößert. Die sekundäre, durch den Hallstrom erzeugte Hallspannung erhöht sich hierdurch und man erhiilt eine größere Induktivität.

Zu Vergleichs/wecken zeigt F i g. 3 das Ergebnis eines Versuches, der mit n-Halbleitern 5 aus InSb und p-Halbleitern 6 aus Ge durchgeführt wurde, wobei als dielektrische Zwischenschicht 4 BaTiO vorhanden war. Bei der graphischen Darstellung nach F i g. 3 ist auf der Abszisse die magnetische Flußdichte ß(KGauß) aufgetragen, während auf der Ordinate die induzierte Induktivität L (μΗ) sowie die Werte von Q bei Raumtemperatur und 1 kHz aufgetragen sind.

Die Meßwerte für L und Q sind mit »o« und >»zl« dargestellt, wobei die voll und schwarz ausgezeichneten kreis- bzw. dreiecksförmigen »Punkte« ein Bauelement gemäß F i g. 1 betreffen. Die nicht voll und schwarz ausgezeichneten kreis- bzw. dreiecksförmigen »Punkte« betreffen ein Bauelement gemäß F i g. 2.

Wie F i g. 4 zu entnehmen, sind Permanentmagnete. z. B. Ferritmagnete 16, zu beiden Seiten des induktiven Halbleiter-Bauelements 15 angeordnet. Die ganze Anordnung kann durch Joche 17 eingeschlossen sein, die, wie F i g. 5 zu entnehmen, eine hohe Permeabilität aufweisen.

Je kürzer der Abstand zwischen den Permanentmagneten ist — Dicke des zwischen den beiden Magneten angeordneten induktiven Halbleiter-Bauelements 15 —. desto größer ist die magnetische Flußd'ichtc. was zur Folge hat. daß die induktive Reaktanz und der ()-Weri größer werden. Hinaus folgt, daß das induktive Halb leiter-Bauelemcnt I "> möglichst dünn gemacht werder soll. Die bloße Anbringung ferromagnetische!' Sioflt durch vorgenannte einfache Verfahrensschritte mach die Verwendung eines äußeren magnetischen Felde; enibchrlich.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 6 werden dünne ma gnetische Werkstoffe verwendet, um das Magnctfck zu erzeugen. Da es nicht notwendig ist, daß das an den Halbleiter angelegte magnetische Feld einheitlich it

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derselben Richtung angelegt wird, können die magnetischen Werkstoffe längs ihrer Oberfläche magnetisiert werden.

Wie F i g. 6 zu entnehmen, werden dünne magnetische Werkstoffe 17' an beiden Längsseiten des indtikti- s ven Halbleiter-Bauelements angeklebt und die Magnetisierung wird längs der Oberflächen jeweils in entgegengesetzter Richtung durchgeführt. Es wirkt somit ein magnetisches Feld vertikal auf das induktive Halbleiter-Bauelement 15 ein, wobei die magnetischen Kraftlinien in der oberen und der unteren Hälfte des Elements unterschiedliche Richtung haben, wie sie durch die gestrichelten Pfeile in F i g. 6 dargestellt ist.

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

Bei dem Bauelement gemäß F i g. 6 durchsetzt das magnetische Feld nicht den mittleren Teil des Halbleiter-Bauelements 15, weshalb hier ein Metallstück 18 eingesetzt werden kann, wie dies in F i g. 7 dargestellt ist.

Man erhält ein verbessertes induktives Halbleiter-Bauelement, das die Form eines dünnen Plättchens aufweist und magnetische Werkstoffe an beiden Seiten zur Erzeugung des magnetischen Feldes besitzt. Es wird die Gewinnung einer großen Induktivität mit relativ schwachen Magnetfeldern erzielt, indem der Hallstrom in dem Halbleiter über dessen gesamtes Volumen verteilt wird.

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

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

Wie in F i g. 1OA der Zeichung dargestellt, ist ein magnetisches induktives Halbleiter-Bauelement 15 in den Luftspalt eines magnetischen Kreises 20 eingesetzt, wobei ein bestimmter magnetischer Fluß auf Grund eines Erregerstroms /in einer Erregerspulc 19 erzeugt wird. Wenn die .Spannungsresonanz, dieser Anordnung ausgenutzt wird, wird ein Kondensator 21 bestimmter Größe parallel mit dem induktiven Halbleiter-Bauelement 15 verbunden. Die Abstimmfrequenz dieses Abstimnikreiscs wird sodann eine Funktion des Erregerstroms und die Abstimmung kann durch ein Steuern des Erregerstroms erreicht werden. Fig. I OB zeigt eine Ersatzschaltung des in Fig. 1OA dargestellten Schaltkreises.

Wenn die Stromresonanz ausgenutzt wird, wird das induktive Halbleiter-Bauelement 15 in Reihe mit einem Kondensator 21 bestimmter Größe geschaltet. Die Anordnungen nach den Fig. HA und 11B zeigen den Aufbau sowie die Ersatzschaltung einer derartigen Anordnung.

Wenn mehr als zwei Bauelemente 15 in den Luftspalt des magnetischen Kreises 20 eingesetzt werden, ist es möglich, mehr als zwei induktive Halbleiter-Bauelemente gleichzeitig und unabhängig zu steuern. In F i g. 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. Aus der US-PS 28 62 184 ist es zwar bekannt. Hallelemente zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten anzuordnen, wobei jedoch Temperaturmessungen durchgeführt werden sollen, indem von den Hall-Elektroden eine Spannung abgegriffen wird.

Die Resonanzabstimmung kann 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. Weilerhin können mehr als zwei Abstimmvorgänge sehr einfach gleichzeitig durchgeführt werden, wobei außerdem der Vorteil besteht, daß auf Grund 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.

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

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Induktives Halbleiter-Bauelement, dessen induktive Wirkung auf dem Hall-Effekt beruht, bei dem ein plättchenförmiger Halbleiterkörper von einem magnetischen Feld durchsetzt und in einer dazu senkrechten Richtung an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen mit jeweils einer Elektrode versehen ist, durch die ein elektrischer Strom to durch den Halbleiterkörper fließt, dadurch gekennzeichnet, daß der plättchenförmige Halbleiterkörper aus einer n-Halbleiterschicht (5) und einer p-Halbleiterschicht (6) besteht, zwischen denen eine Isolierschicht (4) angeordnet ist und daß die an den zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des plättchenförmigen Halbleiterkörpers angeordneten Elektroden (7) jeweils die p- und n-Halbleiterschichten (5,6) miteinander verbinden.

2. Induktives Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht (4) an den parallel zur Richtung des durch die Elektroden fließenden Stromes verlaufenden Randteilen größer ist als im mittleren Bereich (8).

3. Induktives Halbleiter-Bauclement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß an seinen beiden Oberflächen Permanentmagnete (16) angeordnet sind.

4. Induktives Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (16) durch Joche (17) eingeschlossen sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines induktiven Halbleiter-Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Oberfläche einer n-Halbleiterschicht bzw. einer p-Halbleiterschicht aus Verunreinigungen derart eindiffundiert werden, daß die p-Halblciterschicht bzw. die n-Halbleilerschicht und zwischen n- und p-Halbleiterschicht cmc eigenleitende Schicht mit hohem Widerstand als Isolierschicht (4) gebildet werden.

b. Verwendung eines Halbleiter-Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Frequenzabstimmung, indem es zwischen Pole eines Elektromagneten (20) angeordnet wird, wobei die erzeugte Induktivität durch den dem Elektromagneten zugeführten Strom regelbar ist.

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