DE2044884A1

DE2044884A1 - Magnetisch betriebene Halbleiter vorrichtung

Info

Publication number: DE2044884A1
Application number: DE19702044884
Authority: DE
Inventors: Kyoichiro Nishinomiya Takamiya Saburo Itami Hyogo Fujikawa (Japan) P
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1969-09-11
Filing date: 1970-09-10
Publication date: 1971-04-08
Also published as: NL154875B; US3668439A; DE2044884B2; GB1270064A; NL7013480A; FR2061271A5

Description

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19*59/60 FA-2620

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo, Japan

Magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung Bit einer Scheibe aus Halbleitermaterial, welche eine Kollektorxone eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Basiszone eines anderen Leitfähigkeitstyps und eine Emitterzone des ersten Leitfähigkeits typs sowie zwischen den Basis- und Kollektorzonen einen

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Kollektorbasisübergang und zwischen der Emitterzone und einem Teil der Basiszone einen Emitterbasisübergang enthält. Insbesondere betrifft die Erfindung Transistoren oder Vierschicht-Halbleiterbauelemente bzw. Thyristoren, welche den Hall-Effekt ausnutzen.

Bekanntlich werden Halbleiterbauelemente, die mit dem Hall-Effekt arbeiten, als Wandler zur Umwandlung eines magnetischen Signales in das entsprechende elektrische Signal und als kontaktlose Schalter zur elektrischen Ausführung einer Schaltoperation bei einer magnetischen Zustandsänderung verwendet· Das Prinzip, nach den die bekannten Hall-Effekt-Bauelemente arbeiten und aufgebaut sind, besteht darin, daß eine zwischen den Hall-Anschlußklemmen induzierte Spannungsdifferenz oder eine Differenz zwischen den in diese Klemme hineinfließenden Strömen so abgegriffen wird, wie sie ist. Die bekannten Bauelemente sind daher relativ unempfindlich·

Die Erfindung bezweckt, die Empfindlichkeit zu verbessern, mit der den Hall-Effekt ausnutzende Halbleiterbauelemente auf Magnetismus ansprechen, und zwar dadurch, daß ein Hall-Effekt-Bauelement herkömmlicher Konstruktion derart integral in einen Transistor oder Thyristor eingebaut wird, daß eine Fehlverteilung der Ladung aufgrund der Lorentz-Kraft den Transistor oder Thyristor direkt als Spannungsänderung zwischen den Emitter- und Basiszonen beaufschlagt.

Die Erfindung schafft ein« Halbleitervorrichtung wie z.B. einen Transistor oder einen Thyristor, der ein· hohe magnetische Ansprechempfindlichkeit besitzt« Ferner schafft die Erfindung ein· Halbleitervorrichtung,

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die mit hoher Empfindlichkeit magnetisch betrieben wird, da vorteilhaft die Verstärkungewirkung des zugehörigen Transietors auegenutzt wird. Ferner schafft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung, in welcher eine elektromotorische Kraft (EMK) aufgrund des Hall-Effektes im wesentlichen parallel zu einer Ebene eines Emitterbasisüberganges erzeugt wird, wodurch die Empfindlichkeit, mit der die Vorrichtung auf Magnetismus anspricht, stark vergrößert wird· Ferner schafft die Erfindung eine

Halbleitervorrichtung, bei welcher wirksam eine Spannung

über den Emitter- und KollektorZonen in dieser Vorrich- -

tung gesteuert werden kann· Ferner schafft die Erfin- ™

dung eine Halbleitervorrichtung, in welcher ein vom Emitter zum Kollektor fließender Strom nur geringe nicht nutzbare Komponenten aufweist. Ferner schafft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung, in welcher auf einfache Weise zwischen den Emitter- und Kollektorzonen vorbereitend eine Potentialdifferenz eingestellt (bzw. eine Vorspannung angelegt) werden kann· Ferner schafft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit einer Emitterzone, die praktisch rechtwinklig zu einem an die Vorrichtung angelegten elektrischen Feld oder zu einem hindurchfließenden elektrischen Strom angeordnet ist, wodurch nicht nutzbare Ströme und eine unerwünschte Λ Stromkapazita't oder Strombelastung verringert werden. Schließlich schafft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung, die in vielseitiger Weise für magnetische Messungen, Magnetbandleeevorrichtungen, Tastaturschalter, für die Sekundärseite von Übertragern, Speicher, kontaktlose Amplitudenregler, Schaltvorrichtungen hierfür usw· verwendet werden kann.

All dies wird bei einer Halbleitervorrichtung der eingangs angegebenen Art, bei der eine Einrichtung zum Anlegen

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eines Magnetfeldes über der Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in ohmschem Kontakt mit der Basiszone ein Paar von Elektroden derart angeordnet ist, daß die Emitterzone zwischen ihnen liegt, daß über diese Elektroden eine Gleichstromquelle geschaltet ist, welche in dem zwischen den Elektroden liegenden Teil der Basiszone ein querelektrisches Feld oder einen elektrischen Strom erzeugt, und daß eine Oberfläche der Emitterzone im wesentlichen parallel zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes liegt. Das Magnetfeld verläuft im wesentlichen senkrecht zu dieser Oberfläche am Emitterbasisübergang, so daß parallel zu dieser Oberfläche infolge des Hall-Effektes aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem Querfeld oder Strom eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.

Die Basiszone kann vorzugsweise eine größere Fläche aufweisen als der Emitterbasxsübergang, damit mit gutem Wirkungsgrad eine Spannung über den Emitter- und Basiszonen mit einer Änderung der EMK aufgrund einer Änderung des Magnetfeldes gesteuert wird.

Vorteilhaft kann die Basiszone betriebsmäßig mit wenigstens zwei Kollektorzonen derart gekoppelt sein, daß wenigstens zwei Transistoren gebildet werden. In diesem Fall verursacht eine Änderung des angelegten Magnetfeldes aufgrund des Hall-Effektes eine solche EMK-Änderung, daß ein Kollektorstrom des einen Transistors erhöht und gleichzeitig ein Kollektorstrom des anderen Transistors verringert wird.

Die Emitterzone kann vorzugsweise auf der Basiszone im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des querelek-

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trischen Feldes oder des in der Basiszone erzeugten Stromes angeordnet sein.

Auf der Basiszone können auch zwei Emitterzonen paarweise derart angeordnet sein, daß eine Richtung, in der die Emitterzonen miteinander fluchten, im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes 'verläuft· Zwischen die beiden Emitterzonen und die Kollektorzonen wird eine Gleichstromquelle geschaltet, und an den Emitterzonen werden Emitterstromänderungen abgegriffen, welche durch eine Änderung der EMK aufgrund des Hall-Effektes hervorgerufen werden. ύ

Die Erfindung ist ferner für Vierschicht-Halbleiterbauelemente anwendbar, die eine Emitterzone, eine erste Basiszone, eine zweite Basiszone und eine Kollektorzone mit abwechselnder Leitfähigkeit enthalten. Die Emitterzone kann länglich ausgebildet sein und die erste Basiszone vollständig durchqueren. Eine Gleichstromquelle ist zwischen zwei ohmsche Elektroden geschaltet, die derart auf der ersten Basiszone angeordnet sind, daß sich die Emitterzone zwischen ihnen befindet. Dadurch wird in der ersten Basiszone zwischen den Elektroden und in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines zwischen der Emitterzone und der ersten ™

Basiszone gebildeten Emitterbasisübergangs verläuft, ein querelektrisches Feld oder ein elektrischer Strom erzeugt. Ein Magnetfeld wird über der Halbleitervorrichtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Emitterbas isübergangs angelegt, um parallel zu dieser Oberfläche infolge des Hall-Effektes aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem Querfeld oder Strom eine EMK zu erzeugen.

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In Verbindung mit der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Hall-Effekt-Bauelement nach dem Stand der Technik mit einer zugehörigen Erregungsschaltung;

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Anordnung, zeigt jedoch einen Transistor mit einem Hall-Effekt-Bauelement gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. k zeigt schematisch eine magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit einer zugehörigen Erregungsschaltung;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch Fig. k längs der Ebene V-V;

Fig. 6a und 6b zeigen Energiebänder innerhalb der in den Fig. k und 5 dargestellten Halbleitervorrichtung ;

Fig. 7 bis 9 zeigen andere Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei die Figuren mit dem Zusatz "a" ähnlich der Fig. k und die mit dem Zusatz "b" versehenen Fig. Schnittansichten entsprechend Fig. 5 sind;

Fig.10 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Vierschicht-Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung mit der zugehörigen elek-. trischen Schaltungsanordnung;

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Fig.11 ist eine grafische Darstellung der Strom-

Spannungs-Kennlinie des in Fig. 10 dargestellten Bauelementes; und

Fig.12 bis lk zeigen in der Fig. 10 ähnlichen Darstellungen andere Ausführungsformen des Bauelementes gemäß Fig. 10.

In Fig. 1 ist die allgemeinste Form eines Hall-Effekt-Bauelementes dargestellt, wie es dem Stand der Technik entspricht. Die dargestellte Anordnung enthält eine _Λ

rechtwinklige Scheibe 10 aus geeignetem η-leitendem ^

Halbleitermaterial, zwei Elektroden 12 und lk, die mit ohmschem Kontakt an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen der Scheibe 10 angeordnet sind, und ein weiteres Paar von Elektroden 16 und 18, die ebenfalls mit ohmschem Kontakt an zwei anderen gegenüberliegenden Stirnflächen der Scheibe 10 angeordnet sind, so daß sie um 90 gegen die Elektroden 12 und lk versetzt sind. Die Elektroden l6 und l8 sind die sogenannten Hall-Elektroden, die mit zwei Ausgangsklemmen 20 bzw. 22 verbunden sind. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Elektrode 12 dagegen über einen Widerstand 2k an den negativen Pol und die Elektrode lk direkt an den positiven Pol einer Gleich- M

stromquelle 26 angeschlossen. ^

Bei dieser Anordnung injiziert die Elektrode 12 die Majoritätsträger, im vorliegenden Fall Elektronen, in die Scheibe 10, die dann zur gegenüberliegenden Elektrode lk driften, wie durch den mittleren geraden Pfeil innerhalb des die Scheibe 10 darstellenden Blockes gezeigt ist. Wenn ein Magnetfeld über der Scheibe 10 rechtwinklig zur Ebene der Fig. 1 in einer solchen Richtung angelegt wird, daß es von der Rückseite zur Vorder-

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seite der Ebene der Fig. 1 zeigt, wie links durch das Doppelkreis-Symbol angedeutet ist, so wird die Elektronenströmung durch die Wirkung der Lorentz-Kraft in Richtung zur Hall-Effekt-Elektrode 18 hin abgelenkt, wie durch den gebogenen Pfeil 28 dargestellt ist. Die Lorentz-Kraft hat ihre Ursache in der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und der Elektronenströmung oder dem querelektrischen Feld, die in der Scheibe 10 durch die Quelle 26 bewirkt werden. Als Ergebnis wird die Elektronendichte in der Nachbarschaft der Elektrode größer und in der Nähe der entgegengesetzten Elektrode l6 kleiner, so daß eine Hall-Spannung oder eine EMIi infolge des Hall-Effektes über den Hall-Elektroden l8 und l6 erzeugt wird. Wenn hingegen die Polarität des Magnetfeldes umgekehrt wird, so daß seine Richtung dem Betrachter der Fig. 1 abgewandt ist, wie links in Fig. durch das Kreuzsymbol angedeutet ist, so wird die Elektronenströmung in Richtung zur Hall-Elektrode l6 abgelenkt, wie der Pfeil 29 zeigt. Nun wird die Elektronendichte in der Nähe der Elektrode l6 größer und in der Nähe der Elektrode 18 kleiner. Über den Elektroden l6 und l8 wird also nun eine Hall-Spannung erzeugt, die zu der zuvor erläuterten Spannung entgegengesetzt ist.

Die Hall-Spannung V kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

R₁-I H V.. = ^{H C}

H ~ t

wobei R₁. ein Hall-Koeffizient, 1 der durch das HaIl-11 c

Bauelement oder die Scheibe 10 zwischen den Elektroden l4 und 12 fließende Strom, H die magnetische Feldstärke und t die Dicke der Scheibe ist. Aus dieser Gleichung

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_ 9 -geht hervor, daß die Hall-Spannung V„ mit zunehmendem

Strom I zunimmt, c

Fig. 2 zeigt einen Transistor, in den ein Ha11-Bauelement gemäß dem Stand der Technik eingebaut ist. Die dargestellte Anordnung enthält sein Substrat 30 aus n-leitendem Halbleitermaterial, eine p-leitende Emitterzone 32 und ein Paar einander gegenüberliegender p-leitender Kollektorzonen 34 und 36, die so in das Substrat 30 eindiffundiert sind, daft die Emitterzone 32 unter Einhaltung eines eine Basiszone 38 bildenden Spaltes zwischen ihnen liegt. Ferner sind ein Emitter-Basistibergang (nicht dargestellt) zwischen den Emitter- und Basiszonen 32 bzw. 38 und ein (ebenfalls nicht dargestellter) Kollektorbasisübergang zwischen den Kollektorzonen 3** und 36 und der Basiszone 38 gebildet.

Weiterhin sind in der dargestellten Anordnung eine Emitterelektrode 40 an der Emitterzone 32, Kollektorelektroden 42 und 44 an den Kollektorzonen 34 bzw. 36 und eine Basiselektrode 44 an der Basiszone 38 angebracht. Somit ist ein pnp-Transistor gebildet. Die Emitterelektrode 40 ist über einen Widerstand 24. an den positiven Pol einer Gleichstromquelle 26 angeschlossen, während die Basiselektrode 46 direkt mit dem negativen Pol dieser Quelle 26 verbunden ist, um den Emitterbasisübergang in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Die Kollektorelektroden 42 und 44 sind mit zwei Ausgangsklemmen 20 bzw. 22 verbunden und über je einen Wideretand 48 an den negativen Pol einer weiteren Gleichstromquelle 50 angeschlossen, deren positiver Pol Mit dem positiven Pol der Quelle 26 zusammengeschaltet ist. Die Quelle 50 sperrt somit die Kollektorbasisübergänge über die Widerstände 48.

Unter diesen Umständen werden von der Emitterzone 32

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Löcher in die Basiszone 38 injiziert, welche durch die Basiszone hindurch in Richtung des mittleren geraden Pfeiles strömen, der sich in dem das Substrat 30 darstellenden Block befindet. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wirkt das Anlegen eines Magnetfeldes über dem Transistor in einer zur Ebene der Fig. 2 normalen Richtung derart mit einem durch die Quelle 26 in der Basiszone 38 erzeugten querelektrischen Feld zusammen, daß die Löcherströmung in Richtung zur einen oder anderen Kollektorzone 3^» 36 abgelenkt wird, je nach der Polarität des angelegten Feldes. Genauer gesagt, wenn das Magnetfeld von der Rückseite zur Vorderseite der Ebene der Fig. 2 weist, wie durch das Doppelkreis-Symbol dargestellt ist, so wird der Löcherstrom in Richtung zur Kollektorzone 3^ abgelenkt, wie der gebogene Pfeil 28 zeigt, während bei der durch das Kreuzsymbol angedeuteten entgegengesetzten Richtung des Magnetfeldes die Löcherströmung in Richtung zur Kollektorzone 36 abgelenkt wird, wie durch den Pfeil 29 in Fig. 2 dargestellt ist. Auf diese Weise kann sich ein Verhältnis der Anzahl der in die Kollektorzonen 3^ oder 36 fließenden Löcher ändern. Infolge dessen fließt in die Kollektorzone 3^ eine andere Anzahl von Löchern als in die Kollektorzone 36, was sich wiederum als Spannungsabfall an den Widerständen kS infolge der Quelle 50 bemerkbar macht. Der Unterschied in der Anzahl zwischen den in die Kollektorzonen 3^ und 36 gelangenden Löchern wird an den Ausgangsklemmen 20 und als Differenz zwischen den Spannungsabfällen an den beiden Widerständen 48 abgegriffen.

In der Anordnung gemäß Fig. 2 kann die Lorentz-Kraft auf die Löcher einwirken, welche durch die Dicke der

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Basiszone 38 hindurch driften, und zwar von der Rückseite zur Vorderseite der Ebene der Fig. 2, während querelektrische Felder nur in der Nähe des Emitterbasisübergangs oder der Grenze zwischen den Zonen 32 und 38 und in der Nähe der Kollektorbasisübergänge oder der Grenzen zwischen der Zone 38 und den Zonen 3^ und 36 ausgebildet werden· Infolge dessen kann die Lorentz-Kraft nur über einen schmalen Bereich wirken und daher die Löcherströmung nicht in starkem Maße ändern. Mit anderen Worten, die Anordnung gemäß Fig. 2 eignet sich nicht dafür, die Anzahl der in die eine oder andere

Kollektorzone 34, 36 fließenden Löcher infolge der Wir- M

kung des angelegten Magnetfeldes oder des Hall-Effektes auf die Löcherströmung mit großer Änderungsrate zu ändern. Eine Änderungsrate des Kollektorstromes hängt nicht vom Kollektorstrom ab. Der Ausdruck "Änderungsrate des Kollektorstromes" ist definiert als δ I /I , wobei I

CC C

die Größe des Kollektorstromes und ΔI eine Zunahme

oder Änderung dieses Stromes ist. Eine Zunahme des Kollektorstromes I , der aus der benachbarten Emitterzone in die Kollektorzone fließt, führt zu einer Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit des Stromes auf das angelegte Magnetfeld. Diese Ansprechempfindlichkeit ist definiert als δ I /H, wobei ^I wieder die Zunahme des

^{C C} Λ

Kollektorströmeβ und'H eine magnetische Feldstärke ist. ^

Der Grund hierfür liegt in dem Effekt, welcher der oben angegebenen Gleichung entspricht. Man erkennt, daß die Anordnung gemäß Fig. 2 die Verstärkungsfunktion des verwendeten Transistors nicht ausnutzt.

Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Anordnung dadurch zu vermeiden, daß sie eine ein Halleffekt-Bauelement enthaltende Halbleitervorrichtung schafft, die durch Ausnutzen der Verstär-

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kungswirkung eines verwendeten Transistors eine größere Ansprechempfindlichkeit auf Magnetismus hat.

Das Prinzip der Erfindung wird nun in Verbindung mit Fig. 3 erläutert werden, in welcher der Fig. 1 entsprechende Bezugszeichen identische oder entsprechende Komponenten bezeichnen. In Fig. 3 ist das in Fig. 1 dargestellte Halleffekt-Bauelement 10 in dem mit unterbrochenen Linien dargestellten Rechteck enthalten, und die Elektroden 12 und lk sind wie in Fig. 1 über den Widerstand 2k an die Quelle 26 angeschlossen. Die Hallelektroden l6 und l8 sind jedoch an die Basis b je eines pnp-Transistors Tr-I bzw. Tr-2 angeschlossen. Die Emitter e der beiden Transistoren Tr-I und Tr-2 sind gemeinsam an den positiven Pol einer veränderbaren Gleichstromquelle 52 angeschlossen, während die jeweiligen Kollektoren c mit je einer Ausgangsklemme 20 bzw. 22 verbunden und über je einen Widerstand ^k ebenfalls zusammengeschaltet sind. Der Verbindungspunkt der Widerstände 5^ ist über einen Widerstand 56 mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 58 gekoppelt, deren positiver Pol mit dem positiven Pol der veränderbaren Quelle 52 und zugleich mit den Emittern e der beiden Transistoren zusammengeschaltet ist. Hieraus ergibt sich, daß die Quelle k2 die Emitterbasisübergänge der beiden Transistoren Tr-I und Tr-2 in Durchlaßrichtung vorspannt, während die Quelle 58 die Kollektorbasisübergänge in Sperrichtung beaufschlagt.

Bei der dargestellten Anordnung kann eine über den Hallelektroden 16 und l8 entwickelte Spannung abgegriffen werden, nachdem sie durch die Transistoren Tr-I und Tr-2 verstärkt worden ist, und zwar dadurch, daß die HaIlspannung direkt zwischen die Basiselektroden der beiden

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Transistoren angelegt wird, um automatisch den Emitterbasisübergang des einen der beiden Transistoren in Durchlaßrichtung und gleichzeitig den Emitterbasisübergang des anderen Transistors in Sporrichtung vorzuspannen. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung unterscheidet sich also grundsätzlich von der oben in Verbindung mit Fig· I und 2 beschriebenen bekannten Anordnung.

Die physikalischen Grundlagen, auf denen die Erfindung beruht, sollen nun anhand von Fig. 5 und 4 erläutert werden. Dort ist ein erfindungsgemäß aufgebauter Doppelkollektortransistor dargestellt, der unter Anwendung ™ einer allgemein bekannten Planartechnik hergestellt wird. Er enthält ein Substrat 60 aus η-leitendem Halbleitermaterial, ein Paar von einander gegenüberliegenden p-leitenden Kollektorzonen 62 und 64, die in das Substrat 60 eindiffundiert sind, und eine η-leitende Zone 66, die in die p-leitenden Kollektorzonen 62 und 64 und in denjenigen Teil des Substrates 60 eindiffundiert ist, welcher zwischen den Kollektorzonen liegt. Dadurch besteht je ein pn-Kollektorübergang 68 bzw. 70 zwischen jeder p-leitenden Kollektorzone 62 und 64 und der n-leitenden Zone 66 (vgl. Fig. 5)» während die äußeren peripherenC-förmigen Oberflächen der Kollektorzonen 62 und M 64, welche zur Oberfläche des Substrates 6θ freiliegen, die η-leitende Zone 66 umfassen. Diese Zone 66 bildet eine Basiszone und spielt eine zentrale Rolle dabei, die Majoritätsträger hindurchfließen zu lassen, um den Halleffekt hervorzurufen.

Nun ist noch «ine längliche p-leitende Zone 72, die als Emitterzone dient, in einen vorbestimmten Teil der n-leitenden Basiszone 66 eindiffundiert, so daß zwischen

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ihnen ein pn-Emitterbasisübergang 7k gebildet ist. Mit ohmschem Kontakt sind im Abstand voneinander zwei parallele Basiselektroden 76 und ?8 auf der Basiszone 66 angrenzend an die entgegengesetzten Ränder angeordnet, auf denen die freiliegenden Enden der beiden Kollektorzonen 62 und 6k einander zugewandt sind, so daß die Emitterzone 72 sich zwischen den Elektroden 76 und 78 im Abstand von diesen befindet. Wie in Fig. k dargestellt ist, sind zu einem Zweck, der noch erläutert werden wird, die Emitterzone 72 und die Elektroden 76 und 78 im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Ferner ist die Emitterzone 72 über dem wesentlichen Paar der Quer- oder Seitendimension der Basiszone 66 angeordnet, wie die Elektroden 76 und 78. Auf diese Weise bilden die Zonen 62, 66 und 72 mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp einen ersten pnp-Transistorteil entsprechend dem einen der Transistoren Tr-I und Tr-2 gemäß Fig. 3» und die Zonen 6k, 66 und 72 bilden den anderen pnp-Transistorteil entsprechend dem anderen der beiden Transistoren der Fig. 3· Ferner entsprechen die Elektroden 76 und 78 den Elektroden 12 bzw. Ik in Fig. 3.

Wie bei der Anordnung nach Fig. 3 sind die Kollektorzonen 62 und 6k mit zwei entsprechenden Ausgangsklemmen 20 bzw. 22 und über individuelle Lastwiderstände 5^ "it dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 58 verbunden. Der Widerstandswert oder die Impedanz kann bei beiden Widerständen 5k gleich sein. Statt dessen kann auch, wenn die genannten Transistorteile sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden, wenigstens einer der Widerstände 5k hinsichtlich des Widerstandswertes oder der Impedanz veränderbar sein, damit der Ausgangsstrom des zugehörigen Transistorteils justiert werden kann, wie noch beschrieben werden wird·

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Die Emitterzone 72 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den positiven Polj€n der Quelle 58 und einer Gleichstrom-Vorspannungsquelle 52 gekoppelt. Die Elektrode ?6 ist mit dem negativen Pol der Vorspannungsquelle 52 verbunden· Die Quelle 52 ist in der Lage, die Kollektorbasisübergänge 68 und 70 in Sperrichtung vorzuspannen, während sie gleichzeitig eine Vorspannung von praktisch Null über den Emitterbasisübergang 7k anlegt. Genauer gesagt, wird eine Spannung über der Quelle 26 zwischen die Basiselektroden 76 und 78 angelegt, um zwischen ihnen innerhalb der Basiszone 66 ein querelektrisches Feld zu erzeugen. Somit wird derjenige Teil der Basiszone 66, der an die Emitterzone 72 angrenzt, auf ein gewisses Potential bezüglich der Elektrode 76 gelegt. Die Quelle 52 kann daher so justiert werden, daß sie an die Emitterzone 72 eine Spannung anlegt, die praktisch entgegengesetzt gleich der soeben erläuterten Spannung ist, so daß zwischen den Emitter- und Basiszonen oder über dem Emitterbasisübergang praktisch eine Null-Vorspannung liegt. Auf Wunsch kann aber der Emitterbasisübergang 7k auch in Durchlaßrichtung vorgespannt werden. In diesem Fall kann der Emitterbasisübergang 7k eine Hallspannung aufgrund einer Änderung des Magnetfeldes empfangen, wie noch erläutert werden wird·

Es versteht sich, daß die Emitter- und Kollektorzonen jeweils mit einer ohmschen Elektrode bestückt sind, durch welche ihnen die notwendige Spannung zugeführt wird, obwohl diese Elektroden in Fig. k und 5 nicht dargestellt sind·

Die Quelle 26 erzeugt ein querelektrisches Feld in der Basiszone 66 zwischen den Elektroden 76 und 78, wie oben

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beschrieben wurde, und bewirkt, daß die Majoritätsträger, in diesem Fall die Elektronen durch die Basiszone 66 von der Elektrode 76 zur Elektrode 78 fließen, wie durch den in die Basiszone 66 eingezeichneten mittleren geraden Pfeil in Fig. k angedeutet ist. Da die Emitterzone 72 im wesentlichen parallel mit den Elektroden 76 und 78 angeordnet ist, liegt die Oberfläche des Emitterbasisübergangs 7k praktisch rechtwinklig zur Richtung des Querfeldes oder zur Richtung der Elektronenstromung.

Wenn ein Magnetfeld über dem Transistor rechtwinklig zu seinen Hauptflächen angelegt wird und beispielsweise von der Rückseite zur Vorderseite der Ebene der Fig. k weist, wie durch das Doppelkreis-Symbol in Fig. k angedeutet ist, so wird die Elektronenstromung in Richtung des gebogenen Pfeiles 28 in Fig. k abgelenkt. Wenn die Polarität des Feldes umgekehrt wird, so daß es von der Vorderseite zur Rückseite der Ebene der Fig. k weist, wie das Kreuzsymbol im linken Teil der Fig. k anzeigt, so wird die Elektronenstromung in Richtung des gebogenen Pfeiles 29 abgelenkt.

In Fig. 5 zeigt der unterbrochene Pfeil die Polarität des über dem Transistor angelegten Magnetfeldes. Man sieht, daß der an der Kollektorzone 64 liegende Teil der Basiszone 66 einen Überschuß an Elektronen aufweist, während der an der Kollektorzone 62 liegende Teil der Basiszone 66 an Elektronen verarmt ist, was einem Überschuß an Löchern (Defektelektronen) entspricht. Als Ergebnis nimmt das Basispotential in der Nähe der Kollektorzone 64 ab, während das Basispotential in der Nachbarschaft der Kollektorzone 62 zunimmt. Infolge dessen ist der an die Kollektorzone 64 angrenzende Teil des Emitterbasisübergangs 72 in Durchlaßrichtung vorgespannt,

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während gleichzeitig der Teil des Übergangs 72, der an die Kollektorzone 62 angrenzt, in Sperrichtung vorgespannt ist, obwohl der gesamte EmitterÜbergang 72 an sich mit einer Vorspannung von praktisch Null Volt beaufschlagt worden ist.

Zieht man nur einen der beiden Transistorteile 62-66-72 und 64-66-72 in Betracht, so ist die Basiszone 62 flächenmäßig größer als der betrachtete Transistorteil, wie in Fig. 5 zu sehen ist. Dies heißt, daß die Basiszone 62 flächenmäßig großer ist als jeder der Emitter- * bzw. Kollektorübergänge 72 bzw. 68 und 70. Dies ist des- " halb so, weil eine EMK aufgrund des Halleffekts eine Potentialdifferenz innerhalb der Basiszone verursacht, um dadurch den Betrieb des Transistors zu steuern. Wenn andererseits die Basiszone die gleiche Fläche hat wie der Transistorteil oder die Emitter- und Kollektorübergänge, so ist eine EMK-Differenz, die innerhalb der Basiszone aufgrund des Halleffekts erzeugt werden kann, nicht so wirksam zum Steuern des Transistorbetriebes·

In den Fig. 6a und 6b sind die Energiebänder dargestellt, die sich in der Nähe der Kollektorzonen 64 bzw. 62 ergeben. In Fig. 6a ist die Emitterzone 72 bezüglich der Basiszone 66 in der Nähe der Kollektorzone 64 in Durchlaßrichtung vorgespannt, damit in sie die Elektronen von der Basiszone 64 injiziert werden können, während die Löcher von der Emitterzone 74 in die Basiszone 66 injiziert werden können. Dies hat zur Folge, daß ein hoher Strom durch den pnp-Transistorteil 72, 66, 64 fließt. In Fig. 6b ist jedoch die Emitterzone 72 bezüglich der Basiszone 66 in der Nähe der Kollektorzone 62 in Sperrichtung vorgespannt, so daß ein weiterer

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Stromfluß durch den pnp-Transistorteil 72, 66, 62 verhindert wird. Somit wird ein Kollektorstrom vom Transistorteil 72, 66, 64 an der Ausgangsklemme 20 entnommen.

Wenn nun das an den Transistor angelegte Magnetfeld in seiner Polarität umgekehrt wird und gemäß dem Kreuzsymbol in Fig. k dem Betrachter abgewandt ist, so wird die Elektronenströmung in Richtung des gebogenen Pfeiles 29 in Fig. k abgelenkt. Somit nimmt ein Strom vom Transistorteil 72, 66, 62 zu, während gleichzeitig ein Strom vom Transistorteil 72, 66, 6k abnimmt. Ein an den Ausgangsklemmen 20 und 22 erscheinender Strom ist also hauptsächlich dem Transistorteil 72, 66, 62 zuzuschreiben.

Die Ausgangsklemmen 20 und 22 sind auch in der Lage, eine Ausgangsspannung entsprechend der Stärke des über dem Transistor angelegten Magnetfeldes zu liefern· Da die Kollektorzonen 62 und 6k über die jeweiligen Widerstände 5k mit dem negativen Pol der Quelle 58 gekoppelt sind, kann ein Unterschied zwischen den gemäß der obigen Erläuterung in die Kollektorzonen 62 und 64 fließenden Ströme mittels der Widerstände 5^ als Unterschied zwischen den Spannungsabfällen an diesen an den Ausgangsklemmen 20 und 22 abgegriffen werden.

Man sieht also, daß durch Ausnutzen der Fehlverteilung der Ladung aufgrund des Halleffekts und der Ladung selbst die Emitter-Basisspannung automatisch geändert wird, so daß das Signal verstärkt wird.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß die Oberfläche des EmitterÜbergangs 7k praktisch parallel zur Richtung

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verläuft, in welcher die Elektronen von der Elektrode 76 zur Elektrode 78 durch die Basiszone 66 fließen. Diese Oberfläche des Emitterübergangs 74 liegt praktisch rechtwinklig zur Richtung des angelegten Magnetfeldes und daher im wesentlichen parallel zu einer Richtung, in welcher der Halleffekt eine EMK innerhalb der Basiszone erzeugt. Die Oberfläche des Emitterübergangs 7k ist also nicht nur parallel zur Richtung des in der Basiszone erzeugten querelektrischen Feldes angeordnet, sondern auch im wesentlichen parallel zur Richtung der EMK aufgrund des Halleffekts· Dadurch kann die HaIl-EMK wesentlich gesteigert werden. Diese HaIl-EMK großer Amplitude wird als Eingangssignal über den Emitter- und Basiszonen an den Transistor angelegt, so daß sich eine hohe Verstärkung ergibt. Mathematisch läßt sich dies durch die folgende Gleichung ausdrücken:

V
H "

Diese Gleichung besagt, daß die HaIl-EMK V proportional zum Hall-Koeffizienten Rj,, zu dem durch die Basiszone 66 von der Elektrode 78 zur Elektrode 76 fließenden Strom I und zur magnetischen Feldstärke H und umgekehrt proportional zur Dicke t des Hall-Bauelementes ist. Da, wie erwähnt, die Oberfläche des Emitterübergangs 72 parallel zur Richtung der HaIl-EMK liegt, ist die Dicke t des Hall-Elementes praktisch gleich der Dicke der Basiszone 66 und kann deshalb sehr dünn gemacht werden. Entsprechend kann die HaIl-EMK V„ sehr groß sein·

Einer der Unterschiede zwischen der in Fig. 2 darge-

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stellten Anordnung und der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß in letzterer die Lorentz-Kraft auf die Majoritätsträger wirkt, welche in einer Richtung parallel zur Oberfläche des EmitterÜbergangs wandern. Dies gewährleistet einen großen Bereich, über welchen die Lorentz-Kraft wirksam ist, so daß der Hall-Effekt mit gutem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.

In Verbindung mit Fig. 4 und 5 sei ein Beispiel für eine Verunreinigungs- oder Störstellenkonzentration angegeben. Das η-leitende Substrat 60 hatte bei diesem

l4 Beispiel eine Störstellenkonzentration von 5 x 10 Atome/cm , die beiden p-leitenden Kollektorzonen 62 und 64 hatten eine Störstellenkonzentration von

18 %
1 χ 10 Atome/cm , die η-leitende Basiszone 66 hatte eine

Störstellenkonzentration von 5 x 10 Atome/cm ,

und die p-leitende Emitterzone 74 hatte eine Störstellen-

20 3 konzentration von 1 χ 10 Atome/cm . Es versteht sich aber, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die Emitterzone 72 rechtwinklig zur Richtung des in der Basiszone 66 erzeugten Querfeldes oder zur Richtung des durch die Basiszone fließenden Stromes. Es versteht sich aber, daß die Emitterzone innerhalb der Basiszone so angeordnet werden kann, daß sie diese Richtung nicht rechtwinklig, sondern bei zufriedenstellender Betriebsweise mit einem anderen Winkel schneidet. Auf Wunsch kann auch eine gesonderte Kollektorzone in einem zwischen den Kollektorzonen 62 und 64 gebildeten Spalt angeordnet und ähnlich geschaltet werden wie es bei letzteren erläutert wurde. Dies hat den Zweck, einen Kollektorstrom für den Fall zu liefern, daß über dem

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- 21 -Transistor kein Magnetfeld angelegt wird·

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit einen Transistor mit doppeltest Kollektor oder nur einem Emitter erläutert, doch eignet sie sich genau so für Transistoren mit doppeltem Emitter und doppeltem Kollektor, doppeltem Emitter und nur einem Kollektor, nur •einem Emitter und nur einem Kollektor, usw.

In Fig. 7, in der den Fig· k und 5 entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Komponenten bezeichnen, ist ein Doppelemitter-Doppelkollektor-Transistor dargestellt, der gemäß der Erfindung und mittels einer allgemein bekannten Planartechnik konstruiert ist. Während Fig· 7a eine Draufsicht auf den Transistor ist, zeigt Fig. 7b einen Querschnitt längs der Ebene VTIb-VIIb der Fig· 7a. Die Anordnung stimmt im wesentlichen mit derjenigen nach den Fig. k und 5 überein, jedoch mit der Ausnahme, daß die Emitterzone 72 der Fig. k und 5 in zwei Teile 72a und 72b unterteilt ist, welche zusammen an die Quelle 26 angeschlossen sind. Eine die Emitterzone 72a und 72b miteinander verbindende Linie liegt im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des in der Basiszone 66 erzeugten querelektrischen Feldes oder zur Richtung des durch diese fließenden Stromes. Bei der in den Fig· k und 5 dargestellten Anordnung ist der Mittelteil der Emitterzone 72 beim Anlegen eines Nagnetfeldes über den Transistor nicht wirkungsvoll im Betrieb. Aus diesem Grund wird der Mittelteil des Emitters 7k der Fig. k und 5 weggelassen, um nutzlose Ströme der von den Emitterzonen 72a und b zu den Kollektorzonen 62 bzw» 6k fließenden Ströme zu verringern·

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Ein gemäß der Erfindung unter Anwendung allgemein bekannter Planartechniken gebildeter Transistor mit nur einem Emitter und nur einem Kollektor ist in Fig. 8 dargestellt, wobei Fig. 8a eine Draufsicht auf den Transistor und Fig. 8b einen Querschnitt längs der Ebene VIIIb - VIIIb durch Fig. 8a zeigt. Gemäß Fig. 8 umschließt eine einzige Kollektorzone 62* in Form eines rechteckigen Ringes vollständig den Umfang der Basiszone 66. Die Kollektorzone 62* ist direkt an die eine Ausgangsklemme angeschlossen, beim dargestellten Ausführungsbeispiel an die Klemme 20, während die andere Ausgangsklemme 22 an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand $k und dem negativen Pol der Quelle 58 angeschlossen ist. Der andere der beiden Widerstände ^k gemäß Fig. k oder 7 ist weggelassen. Ferner ist anstelle einer der Emitterzonen gemäß Fig. 7a und b, in diesem Fall der rechten Zone 72a, eine ohmsche Elektrode 72a' an der Basiszone 66 angebracht. Eine Linie, welche die Emitterzone 72b mit der Elektrode 72a¹ verbindet, liegt rechtwinklig zur Richtung des Querfeldes, das in der Basiszone 66 erzeugt wird, oder zur Richtung des durch diese fließenden Stromes. In anderer Hinsicht stimmt die Anordnung genau mit derjenigen nach Fig. 7» und 7b überein, und entsprechende Bezugszeichen bezeichnen die übereinstimmenden Komponenten.

Die Erfindung eignet sich auch für Transistoren mit doppeltem Emitter und nur einem Kollektor, wie in Fig. 9 dargestellt ist, wo wieder entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Komponenten der Fig. k und 5» 7 oder 8 bezeichnen. Fig. 9a ist eine Draufsicht auf den Transistor, und Fig. 9b zeigt einen Querschnitt durch Fig. 9a längs der Ebene IXb - IXb. Der dargestellte Transistor ist in bekannter Planartechnik herge-

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.if.

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stellt und enthält wie in Fig. 8 eine einzige Kollektorzone 62' und zwei beidseitig beabstandete Emitterzonen 72a und 72b wie in Pig· 7· Die Kollektorzone 62* ist direkt an den negativen Pol der Quelle 58 angeschlossen, und die beiden Emitterzonen 72a und 72b sind mit je einer Ausgangsklemme 20 bzw. 22 und über je einen Widerstand 54 mit der Verbindungsstelle zwischen den positiven Polen der beiden Quellen 58 und 52 verbunden. In anderer Hinsicht stimmt die Anordnung genau mit der nach Fig. 7 oder 8 überein. Die Anordnung kann zwar keine große Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 20 und 22 liefern, doch ist es möglich, sie mit einem niedrigen Signal zu betreiben, deren Spannung hinreichend kleiner ist als die Diffusionsspannung über den Emitter- und Basiszonen.

Die oben beschriebenen Anordnungen gemäß der Erfindung haben ein weites Anwendungsgebiet, z.B. für magnetische Messungen, Strommessungen, für Magnetbandlesevorrichtungen, Tastaturschalter, Sekundärseiten von Transformatoren, Speicher, Wandler zum Verwandeln einer körperlichen Verschiebung in elektrische Energie, für Leistungsgeneratoren, Tachometer, Computer, kontaktlose Regelungen usw.

Ferner eignen sich die magnetisch betriebenen, oben beschriebenen Transistoren gemäß der Erfindung für Vierschicht-Halbleitervorrichtungen bzw. Thyristoren bei zufriedenstellenden Ergebnissen. Eine solche Anwendung der Erfindung soll nun in Verbindung mit Fig. 10 bis erläutert werden, wobei entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Komponenten der vorangehenden Fig. bezeichnen.

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In Fig. 10 ist eine Halbleitervorrichtung dargestellt, die ein Vierschicht-Halbleiterbauelement mit eingebautem Halleffektelement gemäß der Erfindung enthält. Die dargestellte Anordnung enthält eine p-leitende Kollektorzone 80, eine zweite η-leitende Basiszone 82, eine erste p-leitende Basiszone 84 und eine η-leitende Emitterzone 86, die in der genannten Reihenfolge aufeinandergelegt sind und ein Vierschichtbauelement bilden. Die η-leitende Emitterzone 86 fluchtet in Quer- oder Seitenrichtung mit einem Teil der ersten Basiszone 84. In dem Vierschichtbauelement sind pn-Übergänge 88, 90 und 92 zwischen den Zonen 80 und 82, zwischen den Zonen 82 und 84 bzw. zwischen den Zonen 84 und 86 gebildet. Ferner enthält die Anordnung zwei ohmsche Elektroden 76 und 78, die parallel im Abstand voneinander auf denjenigen Teil der ersten Basiszone 84 angeordnet sind, durch den sich nicht der zwischen den Zonen 84 und 86 gebildete pn-Übergang 92 erstreckt, und angrenzend an die beiden Enden von deren freiliegenden Oberfläche. Ein weiteres Paar von Hauptelektroden 94 und 96 sind in ohmschem Kontakt mit den Kollektor- bzw. Emitterzonen 80 bzw. 84 an solchen Stellen angeordnet, daß die Elektrode 94 sich an dem unter der Elektrode 76 auf der Basiszone 84 liegenden Ende der Zone 80 befindet und die Elektrode 96 praktisch mit der Elektrode 76 ausgerichtet ist.

Zwischen die beiden ohmschen Elektroden 76 und 78 ist eine Reihenschaltung aus einer Hilfs-Gleichstromquelle 26 und einem Widerstand 24 geschaltet, wobei die Elektrode 78 bezüglich der Elektrode 76 positiv gemacht ist. Es ist zu beachten, daß die Elektroden 76 und 78 so auf der ersten Basiszone 84 angeordnet sind, daß die Quelle 26 ein Querfeld parallel zum pn-Emitterbasisübergang

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innerhalb der Basiszone 84 zwischen den Elektroden erzeugt· Eine Hauptquelle 58 für elektrische Leistung ist in Reihe mit einem Lastwiderstand 54 zwischen die Elektroden Sk und 96 geschaltet. Beim dargestellten Beispiel ist die Quelle 58 eine Gleichstromquelle, welche die Elektrode 9k positiv bezüglich der Elektrode 96 hält. Der Widerstand 54 ist zwischen zwei Ausgangsklemmen 20 und 22 geschaltet· Die Hauptquelle 58 dient dazu, den pn-übergang 88 zwischen den Zonen 80 und 82 in Durchlaßrichtung vorzuspannen und gleichzeitig den pn-übergang 90 zwischen den Zonen 82 und 8k zu sperren· Ferner ist eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle 52 zwi- μ

sehen die Elektroden 78 und 96 geschaltet. Es ist zu beachten, daß diese Vorspannungsquelle 52 so justierbar ist, daß sie den Übergang 92 zwischen den Zonen 8k und 86 je nach Wunsch in Durchlaßrichtung, Sperrichtun g oder mit einer Null-Vorspannung beaufschlagt·

Unter der Annahme, daß die Quelle 52 so eingestellt ist,

daß sie eine Null-Vor spannung an den vn^Emii£wpbet9i&*·—

übergang 92 anle^tj__^oJJr^Win^dTe^Betriebsweise der Anordnunj^eriautert werden. Die Quelle 26 erzeugt ein querelektrisches Feld in der ersten Basiszone 8k zwischen den Elektroden 78 und 76· Wie schon erwähnt wurde, sind die Elektroden 76 und 78 auf der freiliegenden Oberfläche der ersten Basiszone 84 so angeordnet, daß dieses elektrische Feld im wesentlichen parallel zum pn-Emitterbasisübergang 92 verläuft· Aufgrund des Querfeldes werden die Majoritätsträger, in diesem Fall die Löcher durch die erste p-leitende Basiszone 84 von der Elektrode 78 zur Elektrode 76 in einer Richtung fließen, die im wesentlichen parallel zum Übergang 92 ist. Dann wird über der Vierschicht-Halbleitervorrichtung ein '

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-as- 20U884

Magnetfeld in Richtung des Pfeiles A in Fig. 10 oder praktisch parallel zur Oberfläche des Überganges 92 angelegt. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. k und 5 wirkt das Magnetfeld so mit dem Querfeld oder der Löcherströmung zusammen, daß eine EMK in einer Richtung erzeugt wird, die praktisch normal zu demjenigen Teil der Oberfläche des pn-Übergangs 92 verläuft, der sich zwischen den Elektroden 76 und 96 erstreckt. Dies erfolgt aufgrund der Lorentz-Kraft, und hat zur Folge, daß die Löcherströmung von der Emitterzone 86 weg abgebogen wird. Derjenige Teil der ersten Basiszone 84, der an der Emitterzone 86 liegt, erfährt also eine Verarmung an Löchern und behält nur noch negative Ionen, was zu einem Absinken seines Potentials führt. Als Ergebnis wird der pn-übergang 92 in Sperrichtung vorgespannt, und nur eine minimale Anzahl der Ladungsträger oder Elektronen und Löcher gelangt durch ihn hindurch.

Wenn das Magnetfeld seine Polarität von der Richtung des Pfeiles A in die Richtung des Pfeiles B gemäß Fig. 10 ändert, so wird die oben beschriebene Löcherströmung aufgrund der Richtungsumkehr der Wirkung der Lorentz-Kraft in Richtung zur Emitterzone 86 abgelenkt. Dadurch kann der an der Emitterzone 86 liegende Teil der ersten Basiszone 84 einen Überschuß an Löchern oder positiven Ladungsträgern erhalten, so daß sein Potential ansteigt. Der pn-übergang 92 wird folglich in Durchlaßrichtung vorgespannt, und die Zahl der hindurchfließenden Ladungsträger erreicht einen Extremwert. Da die Quelle zwischen die Hauptelektroden 94 und 96 geschaltet ist, entspricht die Umkehr der Polarität des angelegten Magnetfeldes einem Spannungsabfall am Lastwiderstand 54 und kann an den Ausgangsklemmen 20 und 22 als Spannung zwischen diesen Klemmen abgegriffen werden.

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Hieraus 1st erkennbar, daß die Auenutzung de« Halleffekt es/ der durch die erste Basiszone 94 «und die Elektroden 76 und 78 hervorgerufen wird, die Steuerung des Wertes des an die Vierschicht-Halbleitervorrichtung angelegten Gatter- oder Steuerstromes erlaubt«

Der Schaltbetrieb der in Pig· IO dargestellten Vorrichtung soll nun in Verbindung Bit Fig. 11 erläutert werden, wo eine typische Strom-Spannung-Kennlinie einer pnp-Vierechicht-Halbleitervorrichtung dargestellt ist und die Ordinate einen Strom und die Abszisse eine A

Spannung repräsentiert. Im ersten Quadranten der Fig· Il ist der Durchlaßatrom und im dritten Quadranten der Sperrstrom Über der Spannung für die pnpn-Vorrichtung aufgetragen·

Man erkennt in Fig· 11, daß die Vorrichtung bei einem auf Null gehaltenen Steuerstrom eine hohe Kippspannung aufweist, wie durch den Ort der Kurve Ll dargestellt ist« Wenn der Auftaet- oder Steuerstrom ansteigt, wird die Kippspannung zunehmend kleiner, wie durch die Kurven L2 und L3 gezeigt ist, welche die Durchlaß-Strom/Spannungs-Charakteristik für verschiedene Steuerströme in Fig· 11 bezeichnen· Es sei daran erinnert, daß der (|

Steuerstrom oder ein in den pn-Emitterbasisübergang 92 injizierter Strom durch Ausnutzung des Halleffektes gesteuert werden kann· Beispielsweise kann eine Vergrößerung der Feldstärke des über der Vorrichtung der Fig. 10 angelegten Magnetfeldes den gleichen Effekt haben wie eine Vergrößerung des Steuerstromes. Wenn also die Quelle 92 die Vorrichtung gemäß Fig. 10 bis zu einem Punkt Pl in Durchlaßrichtung vorgespannt hai^ bei welchem die Kurve Ll eine Belastungskurve L schneidet, wie in Fig. Il dargestellt ist, wobei sie sieh im

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Sperrzustand befindet, kann über der Vorrichtung ein Magnetfeld angelegt werden, das ausreicht, ihre Kippspannung soweit herabzusetzen, daß sie beispielsweise der Kurve L2 entspricht. Dann steigt ein durch die Vorrichtung fließender Strom längs der Belastungskurve L an, bis er einen Punkt P2 erreicht, bei welchem die Belastungskurve L die Kippspannungskurve für die Vorrichtung schneidet. Dies bedeutet, daß die Vorrichtung aufgesteuert ist.

Die in Fig. 10 dargestellte Halbleitervorrichtung enthält einen pn-Emitterbasisübergang 92, der sich parallel zur Richtung des elektrischen Feldes erstreckt, welches in der ersten Basiszone 8k zwischen den Elektroden und 78 erzeugt wird, und zwar getrennt vom elektrischen Feld. Demgemäß wird der pn-Emitterbasisübergang unter langsamer Änderung in seiner Längsrichtung in seinen vorgespannten Zustand gebracht. Mit anderen Worten, die erste Basiszone 84 hat ein niedrigeres Potential auf ihrem Teil in der Nähe der Elektrode 76, während ihr Potential auf ihrem Teil in der Nähe der Elektrode höher ist. Dies bedeutet, daß es schwierig ist, eine Potentialdifferenz zwischen den Emitter- und Basiszonen 86 bzw. 84 zufriedenstellend zu kontrollieren. Außerdem ist ein großer nutzloser Strom vorhanden, was zu einer unnötigen Erhöhung der Strombelastung der Vorrichtung führt.

Diese Nachteile können dadurch vermieden werden, daß man eine Anordnung gemäß Fig. 12 vorsieht, in der entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Komponenten der Fig. 10 bezeichnen. Die dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 10 grundsätzlich dadurch, daß gemäß Fig. 12 in der ersteh p-lei-

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tenden Basiszone 84 eine längliche η-leitende Emitterzone 86 angeordnet ist, welche diese zwischen den Elektroden 76 und 78 vollständig durchquert· Diese Emitterzone 86 befindet sich an einer Stelle innerhalb eines querelektrischen Feldes, das zwischen den Elektroden 76 und 78 von der Quelle 26 erzeugt wird, und liegt im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des elektrischen .Feldes. Die p-leitende Kollektorzone 80 und die zweite η-leitende Basiszone 82 sind auf dem in Fig· 12 rechten Teil der Halbleitervorrichtung angeordnet sowie rechtwinklig zur Emitterzone 86· Der Zweck für diese Anordnung wird nachstehend erläutert werden· Die Kollek- ψ torzone und die zweite Basiszone sind auf dem rechten der beiden Abschnitte angeordnet, in welche die Vorrichtung in einer Richtung unterteilt ist, die parallel zur Richtung des elektrischen Feldes oder des Stromes und rechtwinklig zur Emitterzone verläuft· Im übrigen entspricht die Anordnung genau derjenigen nach Fig. 10.

Wenn über der Vorrichtung ein Magnetfeld in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 12 angelegt wird, oder in einer Richtung, die praktisch senkrecht zum pn-Emitterübergang 92 verläuft, so ist die Emitterzone 86 auf ihrem in Fig« 12 rechten Teil in Durchlaßrichtung und auf -

ihrem linken Teil in Sperrichtung vorgespannt, wie ™

man ohne weiteres aus der Erläuterung der Fig. 4,5 und 10 entnehmen kann. Wenn statt dessen das Magnetfeld in Richtung des Pfeiles B gemäß Fig. 12 angelegt wird, so ist die Emitterzone 86 auf ihrem linken Teil in Fig. 12 in Durchlafirichtung und auf ihrem rechten Teil in Sperrichtung vorgespannt. Die Elektronen werden daher von der Emitterzone 86 unabhängig davon in die erste Basiszone 84 injiziert, welche Polarität das Magnetfeld hat. Die zweite Basiszone und die Kollektorzone 82 bzw.

109815/1358 " ³° "

80 sind also deshalb auf dem in Fig. 12 rechten Teil der Vorrichtung angeordnet, damit nur die in den rechten Teil der ersten Basiszone 84 injizierten Elektronen hineinfließen können.

Wenn man die Breite der länglichen Emitterzone 86 genügend klein wählt, können bei der Anordnung gemäß Fig. 12 die oben in Verbindung mit Fig. 10 erläuterten Nachteile vermieden werden. Dies heißt, daß eine Potentialdifferenz zwischen den Emitter- und Basiszonen 86 und 84 einfach eingestellt werden kann und daß nutzlose Ströme verringert werden, so daß die unnötige Strombelastung der Vorrichtung gering ist.

Statt praktisch rechtwinklig zur Richtung des in der ersten Basiszone 84 erzeugten elektrischen Feldes kann auf Wunsch die längliche Emitterzone 86 auch schräg in dieser Basiszone 84 angeordnet werden. Auch können die Kollektorzone und die zweite Basiszone auf dem in Fig.

12 rechten Teil der Vorrichtung angeordnet werden·

Die Erfindung eigent sich ferner für magnetisch betriebene bidirektionale (in beiden Richtungen leitende) Vierschicht-Halbleitervorrichtungen, wie nun in Verbindung mit Fig. 13 erläutert werden soll. In Fig. 13 bezeichnen entsprechende Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Komponenten wie in Fig. 12. Das in Fig.

13 dargestellte pnpn-System mit den Zonen 80, 82, 84 und 86, wie sie auf dem rechten Teil der Fig. 12 gezeigt sind, ist neben seinen Ebenbild angeordnet, während die Emitterzone 86 genau mit der nach Fig. 12 übereinstimmt und die erste Basiszone 84 den beiden gemeinsam ist. Die Komponenten der beiden Systeme haben die gleichen Bezugszahlen, die aber in einen Fall «it eines

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Strichindex versehen sind, ait Auenahne der beiden Systemen gemeinsamen Komponenten. Im übrigen stimmt die Anordnung genau mit der nach Fig· 12 überein·

Wenn ein Magnetfeld über der Vorrichtung in Richtung des Pfeiles A oder B angelegt wird, so wird das eine pnpn-System aufgesteuert und das andere gesperrt, wie ohne weiteres aus der Erläuterung der Pig· IO hervorgeht. Es ist jedoch asu beachten, daß dann, wenn einmal das eine der Systeme aufgesteuert worden ist, allein die Polaritätsumkehr des angelegten Magnetfeldes das Λ

leitende System noch nicht sperrt, weil es sich um eine Vierschicht-Vorrichtung handelt. Um das leitende System zu sperren, muß die Quelle 58 von der Vorrichtung abgeschaltet werden.

Fig. Ik zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 13 dargestellten Anordnung, die den Zweck hat, die Aufsteuerung und eine Sperrung genauer durchzuführen. Die Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 13 nur darin, daß in Fig. l4 ein Paar von Emitterzonen 86 und 86' und die zugehörigen ohmschen Elektroden 96 und 96' zweiseitig in beabstandeter fluchtender Beziehung auf der Oberfläche der ersten Basiszone 84, die H beiden pnpn-Systemen gemeinsam ist, angeordnet sind. Die Richtung, in der die beiden Emitterzonen 86 und 86* miteinander fluchten, liegt im wesentlichen senkrecht zur Richtung des erzeugten elektrischen Feldes oder zur Richtung der Strömung der Majoritätsträger· In Fig. Ik bezeichnen entsprechende Bezugszeichen gleiche Komponenten wie in Fig. 13, wobei der zugehörige elektrische Schaltkreis weggelassen ist·

Die oben beschriebenen Vierschicht-Halbleitervorrichtungen arbeiten als Schalter (EIN und AUS) und können

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, 32 -

für Tastaturen, Speicher, Computer usw. verwendet werden.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen und Abwandlungen der beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele möglich sind. Beispielsweise eignet sich die Erfindung auch für npn-Transistoren und npnp-Vierschichtbauelemente, wobei die Polarität der dargestellten Stromquellen umgekehrt wird. Die Erfindung wurde zwar anhand von Planartransistoren erläutert, doch kann sie mit gutem Erfolg auch bei Mesa-Transistoren eingesetzt werden. Nach der Bildung der Emitter- oder Kollektorzone kann auch statt des Überganges eine Schottkysche Sperrschicht vorgesehen werden. Die Halbleitervorrichtungen, für die sich die Erfindung eignet, können aus beliebigem Material hergestellt sein, z.B. halbleitendem Silizium, Germanium, aus Verbindungen der III- und V-Elemente usw. durch irgendein Diffusions-, Epitaxial- und Legierungsverfahren, wie dies allgemein bekannt ist.

Kurz zusammengefaßt, wird also gemäß der Erfindung in pnp-Transistoren oder dgl. ein querelektrisches Feld in der Basis erzeugt, die von zwei entgegengesetzt angeordneten Kollektoren umfaßt wird, deren Richtung parallel zu dem auf der Basis angeordneten Emitter liegt. Ein Magnetfeld wird über dem Transistor rechtwinklig zum Emitterübergang, der zunächst auf Null vorgespannt worden ist, angelegt. Durch den Hall effekt werden Elektronen abgelenkt, die durch die Basis in Richtung zu einem der beiden Endteile des Emitterbasisübergangs fließen, um ihn in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Der am in Durchlaßrichtung vorgespannten Emitterende liegende Kollektor stellt einen Ausgang dar. In pnp-Bauelementen

10 9 8 1 S /13 5 8 - 53 -

durchquert der Emitter die erste Basis, in der die Majoritätsträger fließen. Wie bei dem Transistor wirkt ein angelegtes Magnetfeld auf ihre Strömung ein, um das Bauelement aufzusteuern.

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Claims

Patentansprüche

1. Magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung mit
einer Scheibe aus Halbleitermaterial, welche eine
Kollektorzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine
Basiszone eines anderen Leitfähigkeitstyps und eine
Emitterzone des ersten Leitfähigkeitstyps sowie zwischen den Basis- und Kollektorzonen einen Kollektorbasisübergang und zwischen der Emitterzone und einem Teil der Basiszone einen Emitterbasisübergang enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in ohmschem Kontakt mit der Basiszone (66) ein Paar von Elektroden (76, 78) derart angeordnet ist, daß die
Emitterzone (72) zwischen ihnen liegt; daß über diese Elektroden eine Gleichstromquelle (26) geschaltet ist, welche in dem zwischen den Elektroden liegenden Teil der Basiszone ein querelektrisches Feld oder einen
elektrischen Strom erzeugt; daß eine Oberfläche des
Emitterbasisüberganges (7^) im wesentlichen parallel zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes liegt ; und daß über der Halbleitervorrichtung im wesentlichen senkrecht zu dieser Oberfläche des Emitterbasisübergangs ein Magnetfeld anlegbar ist, durch welches parallel zu dieser Oberfläche infolge des Hall-Effektes aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem Querfeld oder Strom eine elektromotorische Kraft erzeugt wird (Fig. 4).

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die Basiszone (66) eine größere Fläche aufweist als der Emitterbasisübergang (Fig. 7b).

109815/1358 ~³⁵~

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3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromquelle (52) an eine der beiden auf der Basiszone (66) angeordneten Elektroden (76) angeschlossen ist und den Emitterbasisübergang (74) vorbereitend auf etwa Null Volt vorspannt (Fig. 4).

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromquelle (52) an eine der beiden auf der Basiszone (66) angeordneten Elektroden (76, 73) angeschlossen ist und den Emitterbasisübergang (74) vor- % bereitend in Durchlaßrichtung vorspannt (Fig. 4).

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (66) betriebsmäßig mit wenigstens zwei Kollektorzonen (62, 64) gekoppelt ist, um wenigstens zwei Transistoren (Tr-I, Tr-2) zu bilden, derart, daß aufgrund einer Änderung der elektromotorischen Kraft infolge einer Änderung des angelegten Magnetfeldes derjenige Transistor, welcher die eine dieser Kollektorzonen enthält, einen KollektorStromzuwachs aufweist,

während gleichzeitig der Kollektorstrom des die andere ~

Kollektorzone enthaltenden Transistors sinkt (Fig. 3 ™

und 4),

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (72) auf der Basiszone (66) an einer Stelle angeordnet ist, bei,welcher sie die Richtung des Querfeldes oder des Stromes schneidet (Fig. 4).

7· Halbleitervorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Emit-

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terzone (72) auf der Basiszone (66) im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes angeordnet ist (Fig. k).

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5i d adurch gekennzeichnet, daß eine einzelne Gleichstromquelle (5") über entsprechende Lastglieder (5^) zwischen die beiden Kollektorzonen und die Emitterzone (72) geschaltet ist, und daß Kollektorstromänderungen unterscheidend für die Kollektorzonen an Ausgangsklemmen (20, 22) abgreifbar sind.

• (Fig. k).

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch ft, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Lastglieder (^k) veränderbar ist.

10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, d adurch gekennzeichnet, daß auf der Basiszone (66) zwei Emitterzonen (72a, 72b) im Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß eine Richtung, in welcher die Emitterzonen miteinander fluchten, die

m Richtung des Querfeldes oder des Stromes ist (Fig. 7)·

.11. Hai bleit ervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Emitterzonen (72a, 72b) im Abstand voneinander und miteinander fluchtend auf der Basiszone (66) angeordnet sind, und daß eine Gleichstromquelle (5^) zwischen die beiden Emitter und die Kollektorzone ((>2) geschaltet ist, wobei eine Änderung der elektromotorischen Kraft aufgrund des lia 1 1 «;f f ektes Änderungen der Emitters! riinie verursacht, die an «lon beiden Emil lerzonnn abgreifbnr sind (Fig. 0).

1 U 5) \) 1 K / 1 ?[: ρ - 37 -

BAD ORIGINAL

_ ₃₇ _ 20U884

12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Elektrode (72a) in ohmschem Kontakt mit der Basiszone (66) zwischen den beiden Elektroden (76, 78) an einer Stelle angeordnet ist, bei welcher eine Richtung, in der die Emitterzone (72b) mit der dritten Elektrode fluchtet, im wesentlichen senkrecht auf der -Richtung des Querfeldes oder Stromes steht (Pig. B).

13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (72a) elektrisch mit der Emitterzone (72b) gekoppelt ist, und daß über den Emitterbasisübergang eine Potentialänderung auf der Basiszone (66) angelegt wird, die von einer Änderung der elektromotorischen Kraft infolge des Halleffektes hervorgerufen wird.

14. Magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Vierschichtsystem, welches eine Emitterzone, eine erste Basiszone, eine zweite Basiszone und eine Kollektorzone abwechselnder Leitfähigkeit enthält, wobei die Emitterzone die erste Basiszone durchquert und zwischen ihnen ein pn-Emitterbasisübergang gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in ohmschem Kontakt mit der ersten Basiszone ein Paar von Elektroden derart angeordnet ist, daß die Emitterzone zwischen ihnen liegt; daß über diese Elektroden eine Gleichstromquelle geschaltet ist, welche in der zwischen den Elektroden liegenden zweiten Basiszone ein querelektrisches Feld oder einen elektrischen Strom erzeugt; daß eine Oberfläche des Emitterbasisüberganges in wesentlichen parallel zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes liegt; und daß über die Halbleitervorrichtung ia wesentlichen senkrecht zu die-

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ser Oberfläche des Emitterbasisuberganges ein Magnetfeld anlegbar ist, durch welches parallel zu dieser Oberfläche infolge des Hall-Effektes aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem Querfeld oder Strom eine elektromotorische Kraft erzeugt wird (Fig. 12).

15· Halbleitervorrichtung nach Anspruch l4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone und die zweite Basiszone in einem von zwei Abschnitten angeordnet sind, in welche die Vorrichtung in einer Richtung unterteilt ist, die parallel zur Richtung des Querfeldes oder des Stromes und rechtwinklig zur Emitterzone liegt (Fig. 12).

16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch lk, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Emitterzone und eine der beiden Elektroden auf der ersten Basiszone eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle geschaltet ist, welche den Emitterbasisübergang auf einen vorgegebenen Wert vorspannt (Fig. 12).

17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch l4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierschichtanordnung in zwei einander gegenüberliegende Abschnitte in einer Richtung unterteilt ist, welche parallel zur Richtung des Querfeldes oder Stromes und rechtwinklig zur Emitterzone liegt, und daß jeder dieser Abschnitte seine eigene Kollektorzone und seine eigene zweite Basiszone enthält, während die Emitterzone und die erste Basiszone und die beiden Elektroden beiden Abschnitten gemeinsam sind (Fig. 13)·

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18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch ld, d adurch gekennzeichnet, daß die Vierschichtanordnung zwei Abschnitte enthält, die nebeneinanderliegend in einer Richtung unterteilt sind, welche parallel zur Richtung des Querfeldes oder Stromes und rechtwinklig zur Emitterzone liegt, und daß jeder Abschnitt seine eigene Kollektorzone, reine eigene zweite Basiszone und seine eigene Emitterzone enthält, während die erste Basiszone und die beiden Elektroden beiden Abschnitten gemeinsam sind. (Fig. 14).

19. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone auf der ersten Basiszone im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des Querfeldes oder Stromes angeordnet ist (Fig. 12).

20. Halbleitervorrichtung nach Anspruch lB, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung, in welcher die Emitterzonen miteinander fluchten, im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des Querfeldes oder Stromes liegt (Fig. ld).

21. Magnetisch betriebene Halbleitervorrichtung, da- ™ durch gekennzeichnet, daß eine Vierschichtanordnung vorgesehen ist, die eine Emitterzone, eine erste Basiszone, eine zweite Basiszone und eine Kollektorzone abwechselnder Leitfähigkeit enthält, daß die Emitterzone und die erste Basiszone nebeneinanderliegen und zwischen dem Emitter und einem Teil der ersten Basiszone ein pnp-Emitterbasisübergang gebildet ist, daß in ohraschem Kontakt mit der ersten Basiszone zwei beabstandete parallele Elektroden

109815/135° - do -

204A88A

- 4o -

angeordnet sind, daß eine Gleichstromquelle über die beiden Elektroden geschaltet ist, um ein querelektrisches Feld oder einen elektrischen Strom in der ersten Basiszone zwischen den Elektroden zu erzeugen, daß die Emitterzone eine Oberfläche besitzt, die im wesentlichen parallel zur Richtung des Querfeldes oder Stromes angeordnet ist, und daß über der Halbleitervorrichtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche des Emitterbasisübergangs ein Magnetfeld anlegbar ist, durch welches senkrecht zu dieser Oberfläche infolge des Halleffektes aufgrund der Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und dem Querfeld eine elektromotorische Kraft erzeugt wird (Fig. 10).

109815/1358

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