DE1789148B2 - Induktives halbleiter-bauelement, verfahren zum herstellen und verwendung - Google Patents

Description

4. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (12) aus magnetischem Material bestehen.

5. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (12) an ihren Enden breiter bemessen sind als in den dazwischenliegenden Teilen (Fig. 4).

6. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (11) in ihren an dis Enden der Metallstreifen grenzenden Randbereichen dünner bemessen ist als im mittleren Bereich ( F i g. 5 bis 7).

7. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den die Metallstreifen enthaltenden Oberflächen des Bauelements Magnetkörper (16) angeordnet sind (Fig.8).

8. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkörper (16) durch Joche (17) eingeschlossen sind ( Fi g. 9).

9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (11) durch anodische Oxidation des Halbleiterkörpers (9) erzeugt wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (12) durch Elektroplattieren, Vakuumaufdampfen oder Aufdrucken auf der dielektrischen Schicht (11) aufgebracht werden.

11. Verwendung eines Halbleiter-Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Frequenzabstimmung, indem es zwischen den beiden Polen eines Elektromagneten (20) angeordnet wird, wobei der erzeugte induktive Widerstand durch den dem Elektromagneten zugeführten Strom regelbar ist ( Fi g. 14).

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

Ein Problem der Halbleitertechnologie, insbesondere der Technologie integrierter Kreise, liegt in der Herstellung von Induktivitäten. Da Dioden nur bei bestimmten Frequenzen einen induktiven Widerstand zeigen, können sie nur in einem bestimmten Frequenzbereich verwendet werden. Eine allgemeine Anwendung ist jedoch nicht möglich.

Zur Lösung des genannten Problems ist schon ein induktives Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bekanntgeworden (Proceedings of the IEEE, Band 53, 1965, Nr. 12, S. 2138 und 2139). Bei diesem Halbleiter-Bauelement ist ein Blindwiderstand zwischen die Hallelektroden geschaltet. Der induktive Widerstand zwischen den stirnseitigen Elektroden wird durch die Stärk? eines rechtwinkelig zu dem Halbleiterkörper angelegten Magnetfeldes geändert. Durch die Verwendung mehrerer Blindwiderstände kann die Charakteristik der Vorrichtung zwar verbessert werden, jedoch wächst dann auch die Größe des induktiven Bauelements. Der induktive Widerstand, der auf diese Weise erhalten wird, ist zudem relativ gering.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Halbleiter-Bauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, dessen Ausdehnung dadurch verringert werden kann, daß äußere Blindwiderstände vermeidbar sind und trotzdem ein großer induktiver Widerstand erzielt werden kann, der zudem regelbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten induktiven Halbleiter-Bauelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem plättchenförmigen Halbleiterkörper eine dielektrische Schicht vorgesehen ist und daß mehrere Metallstreifen auf der freien Oberfläche der dielektrischen Schicht quer zur Richtung des durch den plättchenförmigen Halbleiterkörper hindurchfließenden Stromes angeordnet sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele näher dargestellt. Es zeigt

Fig. IA eine perspektivische Ansicht eines induktiven Halbleiter-Bauelements, bei dem dielektrische Schichten und Metallstreifen auf der freien Oberfläche eines Halbleiterplättchens vorgesehen sind,

Fig. IB einen Querschnitt durch das Bauelement nach F i g. 1A entlang der Linie 6ß-6ß.

Fig. IC eine Ersatzschaltung für die Querschnittsebene von F i g. 1B,

F i g. 2A mit 7A weitere bevorzugte Ausführungsformen von induktiven Halbleiter-Bauelementen,

Fig. 2B mit 7B Querschnitte durch die in Fig.2A mit Fig. 7A gezeigten induktiven Halbleiter-Bauelemente entlang der Linien 7ß-7ß,8ß-8ß,9ö-9ß, lOß-lOß Ilß-llßundl2ß-12ß,

Fig. 2C eine Ersatzschaltung für die Querschnittsebene von Fi g. 28,

Fig. 3C einen Querschnitt durch die Anordnung nach F i g. 3A mit der Verteilung des Hallstromes,

F i g. 8 eine Seitenansicht eines induktiven Halbleiter Bauelements, das auf beiden Seiten mit je cincir Permanentmagneten versehen ist,

F i g. 9 eine Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, bei ler die vorgenannte Anordnung eingeschlossen durch :in )och dargestellt ist,

Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch das induktive ialbleiter-Bauelement, bei dem Permanentmagnete auf )eiden Seiten desselben angeordnet sind.

Fig. 11 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungs-Deispiel zu dem vorgenannten Bauelement,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines induktiven ί 'albleiter-Bauelements,

Fig. 13 die Charakteristik des induktiven Halbleiter-Bauelements.

Fig. 14A mit 16 Beispiele von elektronischen Abstimmschaltungen, bei denen die induktiven Halbleiter-Bauelemente verwendet werden können.

Wie den Figuren zu entnehmen, ist eine dielektrische Schicht 11 auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers 9 (ζ. B. Indium-Antimonid vom η-Typ) angeordnet, an dessen oberem und unterem Ende Elektroden 10 vorgesehen sind. Auf der Oberflache der dielektrischen Schicht 11 sind mehrere Metallstreifen 12 rechtwinkelig zur Richtung des Hauptstroms / und bevorzugt in gleichen Abständen vorgesehen. Bei diesem Halbleiter-Bauelement wird eine Hallspannung Vh in Querrichtung im Halbleiterkörper 9 durch Anlegen eines magnetischen Feldes B erzeugt.

Diese Hallspannung wird durch die Metallstreifen 12 längs der dielektrischen Schicht 3 kurzgeschlossen, und es fließt ein Hallstrom in in dem Halbleiter-Bauelement in Richtung der Metallstreifen 12, wie dies in Fig. IB gestrichelt dargestellt ist. Die Phase des Hallstroms in eilt gegenüber der Phase der Hallspannung Vh und des Hauptstroms / voraus. Eine Ersatzschaltung für diesen Querschnitt ist in F i g. IC dargestellt.

Die Phase der sekundären Hallspannung, welche durch diesen Hallstrom in erzeugt wird, eilt somit vor, und da sie über den stirnseitigen Elektroden 10 angelegt ist, eilt die Phase der Spannung gegenüber der des Hauptstroms / vor, so daß das Halbleiter-Bauclement als Induktivität wirkt und zwischen den stirnseitigen Elektroden 10 ein induktiver Widerstand entsteht.

Bei dem vorgenannten Bauelement genügt eine Art von Halbleitermaterial zur Herstellung. Wenn ein n-Halbleitermaterial 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. 2A mit 7A sind weitere Ausführungsformen des in Fig. 1 gezeigten induktiven Halbleiter-Bauelements 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 Halbleiterkörpers 9 vorgesehen werden, können weitere Vorteile erzielt werden, wie dies aus den Fig. 2A bis 2C und der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist.

Die Metallstreifen 12 werden in Querrichtung angeordnet, um nur die Hallspannung kurzzuschließen. Zwischen den Metallstreifen 12 selbst muß ein Zwischenraum vorgesehen werden, um einen Durchfluß des Hauptstroms durch dieselben zu vermeiden.

Die Anordnung der Metallstreifen 12 kann durch Elektroplattieren, Aufdampfen im Vakuum oder Aufdrucken erfolgen. Wenn Nickel oder andere elektrisch leitende magnetische Stoffe wie NiFe, N2C0, 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.

In Fig. 3A ist eine weitere verbesserte Ausführungsform dargestellt. In der Mitte auf der Seitenfläche des Halbleiterkörpers 9, an dem die Elektroden 10 vorgesehen sind, ist ein Isolator t3 niedriger dielektrischer Konstante in Richtung des Hauptstroms 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 Hallstroms vorgesehen. Die Fig. 3B und 3C zeigen einen Querschnitt bzw. die Verteilung des Haiistroms, woraus ersichtlich ist, daß der Weg des Stroms innerhalb des Halbleiterkörpers 9 vergrößert worden ist, was die erwünschte Verbesserung mit sich bringt.

Da bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Strom kreisförmig im Mittelpunkt des Halbleiterkörpers zirkuliert, kann der Halleffekt im Halbleiterkörper nicht vollständig ausgenutzt und entwickelt werden, denn die einheitliche Breite der Metallstreifen verursacht eine einheitlich verteilte Kapazität. Um diesem abzuhelfen, ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4A ein Metallstreifen 12 vorgesehen, der im mittleren Teil eingeschnürt ist. Hierdurch wird die Kapazität zwischen den Metallstreifen 12 und dem Halbleiterkörper 9 im mittleren Teil des Bauelements klein gemacht, während sie im äußeren Teil groß ist. Wie Fig.4B zu entnehmen, ist der das Dielektrikum 11 durchfließende Hallstrom vor allem im Bereich der Randteile vorhanden. Der Weg des in Querrichtung innerhalb des Halbleiterkörpers 9 fließenden Hallstroms wird deshalb vergrößert, so daß der Halleffekt besser ausgenutzt werden kann und in Induktivität wirksamer wird.

Wie vorstehend beschrieben, sind die Metallstreifen 12 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 den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 5a, 6A und 7A die dielektrische Schicht gegen den Randteil dünner ausgeführt. Bei diesen Bauelementen ist die Kapazität zwischen dem Halbleiterkörper 9 und den Metallstreifen 12 zu beiden Seiten des Bauelements groß und im mittleren Bereich klein. Wenn ein Magnetfeld vertikal angelegt wird, stellt sich eine Verteilung des Hallstroms im Querschnitt ein, wie sie in den Fig.5B, 6B und 7B dargestellt ist. Auf Grund der Tatsache, daß der in Querrichtung innerhalb des Halbleiterkörpers 9 fließende Hallstrom anwächst, wird der Halleffekt im Halbleiter sehr wirksam genutzt und die Induktivität verbessert.

Die dielektrische Schicht wird durch anodische Oxidation hergestellt, z. B. wird der aus InSb bestehende Halbleiterkörper 9 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 negativen Pol einer Gleichstiomquelle angeschlossen werden, findet an der Anode eine Oxidation statt, so daß eine isolierende dielektrische Schicht entsteht.

Wie vorstehend angedeutet, muß, um der Forderung nach Induktivität zu genügen, das Magnetfeld ß vertika zu den Halbleiterkörpern ausgerichtet sein. Hierzu kanr man folgende Vorkehrungen treffen:

Wie Fig. 8 zu entnehmen, sind Permanentmagnet«

16, ζ. B. Ferritmagiiete, zu beiden Seilen des Halbleiter-Bauelements 15 angeordnet. Die ganze Anordnung kann durch Joche 17 eingeschlossen sein, die, wie Fi g. 9 zu entnehmen, eine hohe Permeabilität aufweisen. Insbesondere bei den Ausführungsformen nach den Fig. IA und 2A ist es von Vorteil, die Metallstreifen 12 durch Anlegen des starken Magnetfeldes permanent zu magnetisieren, wenn dieselben durch Aufdrucken, Aufdampfen oder Elektroplattieren aufgebracht werden, wobei Nickel benutz! werden kann, welches ferromagnetisch ist und eine große elektrische Leitfähigkeitaufweist.

je kurzer der Abstand zwischen den anzubringenden ferromagnetischen Stoffen (Magnete) ist — Dicke des zwischen den beiden Permanentmagneten 16 angeordneten Halbleiter-Bauelements 15 — desto größer ist die magnetische Flußdichte, die durch das Halbleiter-Bauelement 15 hindurchgeht, was zur Folge hat, daß der induktive Widerstand und der (p-Wert größer werden. Hieraus folgt, daß das Halbleiter-Bauelement 15 möglichst dünn gemacht werden soll. Wie vorstehend beschrieben, macht das bloße Anbringen ferromagnetischer Stoffe durch die vorgenannten einfachen Verfahrensschritte die Verwendung eines äußeren magnetischen Feldes entbehrlich.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 10 werden dünne magnetische Werkstoffe verwendet, um das Magnetfeld für das Halbleiter-Bauelement zu erzeugen.

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

Wie F i g. 10 zu entnehmen, werden dünne magnetische Werkstoffe 17' an beiden Längsseiten des magnetischen induktiven Halbleiter-Bauelements angeklebt und die Magnetisierung wird längs der Oberflächen jeweils in entgegengesetzter Richtung durchgeführt. Es wirkt somit ein magnetisches Feld vertikal auf das 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. 10 dargestellt ist.

Es ist nicht immer notwendig, daß die auf die Halbleiter-Bauelemente einwirkenden Magnetfelder eine konstante Richtung aufweisen und eine konstante einheitliche Größe haben. Der Grund hierfür liegt darin, daß der sekundäre Halleffekt zweimal ausgenutzt wird und das Entstehen des induktiven Widerstandes 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 Nichteinheitlichkeit keine schädlichen Auswirkungen zeigt

Da bei einer Anordnung gemäß Fig. 10 das magnetische Feld nicht im mittleren Teil des Halbleiter-Bauelements 15 angelegt wird, ist dieser frei von Induktivität, so daß von diesem Teil nur ein reiner Widerstand des Halbleiterkörpers in Reihenschaltung zu dem Halbleiter-Bauelement beiträgt, wodurch ein gewisser Nachteil entsteht. Um diesem Nachteil abzuhelfen, kann diese Stelle durch ein Metallstück 18 ersetzt oder kurzgeschlossen werden, wie dies in F i g. 11 dargestellt ist.

Wie vorstehend aufgeführt, gelingt erfindungsgemäß eine Verbesserung eines induktiven Halbleilcr-Bauelcmcnts, indem es in Form eines dünnen Plättchens ausgeführt werden kann und indem Magnetkörper an beiden Seiten zur Verstärkung des magnetischen Feldes vorgesehen werden. Die induktiven Halbleiter-Bauclcmentc gemäß der Erfindung ermöglichen die Erzeugung eines großen induktiven Widerstandes mit relativ schwachen Magnetfeldern, indem der Hallstrom in dem Halbleiterkörper über dessen gesamtes Volumen verteilt wird, wobei vorteilhafterweise zumindest ein

ίο Teil des Magnetfeldes von mindestens einem mit dem Halbleiter-Bauelement fest verbundenen Permanentmagneten geliefert werden kann.

Als Anwendungsbeispiel wird im folgenden ein Frequenzabstimmkreis beschrieben, bei dem eines der besprochenen Halbleiter-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.

Man kennt bereits ein elektronisches Abstimmsystem, 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

jo notwendig, eine Spannung von mehr als 10 Volt an die 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.

Bei Verwendung der induktiven Halbleiter-Bauelemente der Erfindung, wie sie schematisch in Fig. 12 dargestellt sind, und deren Charakteristik Fig. 13 entspricht, ergeben sich die genannten Nachteile nicht.
Wie in Fig. 14A dargestellt, ist ein induktives Halbleiter-Bauelement 15 in den Luftspalt eines magnetischen Kreises 20 eingesetzt, wobei ein bestimmter magnetischer Fluß auf Grund eines Erregerstroms 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 Erregerstroms und die Abstimmung kann durch ein Steuern des Erregerstroms erreicht werden. Fig. 14B zeigt eine Ersatzschaltung des in Fig. 14A dargestellten Schaltkreises.

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

Aus der US-PS 28 62 184 ist es bekannt, eir Hallelement beispielsweise bei Temperaturmessunger im Luftspalt eines Elektromagneten anzuordnen und ar den Hallelektroden Spannungen in Abhängigkeit von Magnetfeld und dem elektrischen Slro:>i. der durch da< Hallclcment fließt, abzugreifen. Im Gegensatz dazi

wird das induktive Halbleiter-Bauelement zur Frequenzabstimmung eingesetzt, wobei es sich im Magnetfeld eines Elektromagneten wie eine Induktivität verhält.

Wenn mehr als zwei induktive Halbleiter-Bauelemente 15 in den Luftspalt des magnetischen Kreises 20 eingesetzt werden, ist es möglich, mehr als zwei Elemente gleichzeitig und unabhängig zu steuern. In F i g. 16 ist ein diesbezügliches Anwendungsbeispiel, ein Superheterodynempfänger, dargestellt. Hierbei ist ein Mischer 22 vorgesehen sowie ein Zwischenfrequenzausgang 23, ein Zwischenfrequenzverstärker 24 und ein Detektor 25.

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. Weiterhin 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 ist, kann eine gewöhnliche Spannungsquelle für Transistoren als Spannungsquelle zum Steuern der Abstimmung benutzt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

509584/·

Claims (3)

■ Palentansprüche:

1. Induktives Halbleiter-Bauelement, dessen induktive Wirkung auf dem Hall-Effekt beruht und bei S dem ein plättchenförmiger Halbleiterkörper von einem magnetischen Feld durchsetzt ist und in einer dazu senkrechten Richtung an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen mit jeweils einer Elektrode versehen ist, durch die ein elektrischer Strom durch den Halbleiterkörper fließt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem plättchenförmigen Halbleiterkörper (9) eine dielektriscne Schicht (11, 13, 14) vorgesehen ist und daß mehrere Metallstreifen (12) auf der freien Oberfläche der dielektrischen Schicht (11, 13,14) quer zur Richtung des durch den plättchenförmigen Halbleiterkörper

(9) hindurchfließenden Stroms angeordnet sind.

2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht το (11) und die Metallstreifen (12) beidseitig auf dem Halbleiterkörper (9) angeordnet sind (Fig. 2).

3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht (13, 14) in den an die Enden der Metallstreifen (12) grenzenden Randteilen (14) größer ist als im mittleren Bereich