DE2215878A1 - Magnetisch steuerbares festkoerperschaltelement - Google Patents
Magnetisch steuerbares festkoerperschaltelementInfo
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Description
Magnetisch steuerbares Festkörper-Schaltelement
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Festkörper-Scheltelementes
mit kristallinem Festkörper und mit Elektroden auf dem Festkörper, bei dsm.ein Umschalten von
elektrisch hochohmigem in niederohmigen Leitungszustanä erfolgt,
wobei in dem Material des Festkörpers eine elektrische Feldstärke vorliegt.
Aus Appl. Fhys. Letters," Bd. 17, Nr. 5 (1970) Seiten 199 Ms
201 ist ein Schalteffekt in Einkristallen aus Yttriura-Sisezigranat,
dotiert mit Silizium, bekannt. Es handelt sich dabei um das Umschalten aus einem elektrisch iioehohmigen in einen
elektrisch niederohmigen Leitungszustand bei Überschreiten eines bestimmten elektrischen Feldstärkewertes im Materiel
des Festkörpers. Es ist die3 ein Umschaltprozess im massiven Material. Ein anderer Umschalterfelrt, der im Ergebnis ähnlich
ist, ist an amorphen Halbleitermaterialien gefunden worden ·
und wird als Ovshinski-Effekt bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, technische Anwendungen für ein
weitergehendes neues Forschungsergebnis auf dem Gebiet der magnetischen Halbleiter aufzufinden.
Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in einer neuen Verwendung eines wie oben angegebenen Festkörper-Schaltelementes, die
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Festkörper-Schaltelement
einen Körper aus einem magnetischen Halbleitermaterial (MHL) aufweist und sich zum Umschalten
in einem veränderbaren Magnetfeld befindet, wobei das Umschalten
durch die Änderung der Größe der magnetischen Feld»
309849/0608 VPA 9/71 P/11517 Bta/LoO
stärke im Körper von einem kleineren auf einen größeren Wert oder umgekehrt erfolgt und wobei sich der Körper auf einer
Temperatur befindet, die unterhalb oder nahe oberhalb der Temperatur des Curie-Punktes und im Bereich der kritischen
Fluktuation des Spinsystems befindet, und daß die anliegende elektrische Spannung zur Aufrechterhaltung einer elektrischen
Feldstärke im Festkörper im hochohmigen Zustand einen Wert hat, bei dem beim Ausgangswert der magnetischen Feldstärke noch
kein Umschalten erfolgt.
Was unter dem Begriff "Bereich der kritischen Fluktuation des Spinsystems" zu verstehen ist, geht u.a. aus C. Haas,
IEEE Trans, magn. Bd. 5 (1969) Seiten 487 ff hervor.
Einzelheiten über ferro- und über ferrimagnetische Halbleiter
gehen u.a. aus
HeIv. Phys. Acta Bd. 43,S. 9-16 (1970)
Phys. stat, solidi (a) Bd. 5, S. 349 - 357 (1971)
Zeitschrift f. angew. Phys. Bd. 32,S. 80 - 83 (1971)
hervor.
Der Erfindung legen folgende Überlegungen zugrunde: Im Gegensatz zu amorphen Halbleitern scheinen die eingangs
erwähnten Schalteffekte durch definierte Übergänge zwischen relativ schmalen Störstellentermen zufolge von Ionisationseffekten, insbesondere Feld- und Stoß^ionisation, zusammen mit
thermischer Paarbildung zustande zu kommen. Bei magnetischen Halbleitern ist die EnergielUcke, d.h. der Bandabstand und die
Ionsisationsenergie von Dotierungs- und/oder Störstellentermen.
durch von außen einwirkende magnetische Felder beeinflußbar. Es wurde nun festgestellt, daß man ein wie oben beschriebenes
erfindungsgemäßes Festkörper-Schaltelement bereits bei relativ geringer Veränderung, d.h. Vergrößerung oder Verkleinerung
einer relativ schwachen magnetischen Feldstärke im Festkörper des Elementes umschalten kenn, wenn gemäß einem Merkmel der
Erfindung in dem Festkörper ein elektrisches Feld herrscht, dessen Feldstärkewert eine Größe hat, die nur um ein'geringes
Meß kleiner 1st, als derjenige Wert der elektrischen Feldstärke, bei dem das Festkörper-Schaltelement ohne eine im Festkörper
VPA9/712/1157 vorhandene magnetische Feldstärke
309840/0608
umschalten würde. Durch das Vorhandensein eines elektrischen
Feldes vorgegebener Feldstärke in dem Festlcörper des Schaltelementes
wird ein Arbeitspunkt eingestellt. Das eigentliche Umschalten erfolgt dann durch Änderung der magnetischen Feldstärke
im Festkörper.
Entsprechend einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Lehre
ist vorgesehen, daß sich das Festkörpermaterial auf einer Temperatur in dem oben angegebenen Temperaturbereich befindet.
Als magnetisches halbleitendes Material für den Festkörper des erfindungsgemäß zu verwendenden Schaltelementes kommen
ferro-, ferri- und metamagnetische, halbleitende Substanzen in Betracht.
Yon besonderer Bedeutung sind für die Erfindung Verbindungen des Typus ABp X^, worin A für Eu9 Sr, Ba.und/oder Pb oder für
Zn, Cd, Hg, Mg, Mn und/oder Co steht. B steht für Cr oder Rh. Für X ist S oder Se zu setzen. Bei diesen Verbindungen handelt
es sich um solche mit hexagonaler Struktur "bzw» um lafoiseiie
Spinelle.
Weiter kommen insbesondere Oxide, Sulfide,. Selenide oder
Telluride des Samarium, Europium oder Ytterbium vorteilhafterweise
zur Anwendung.
Zur Optimierung der Materialeigenschaften sind insbesondere Mischsysteme der zuvor genannten Gruppen geeignet. Deren
Dotierung und/oder Substituierung bewirken i.allg. eine Änderung der Stärke der Austauschwechselwirkungen. Damit
kann neben anderen HalbleitereigensGhaften auch die Curietemperatur
des Materials verändert werden. Durch die Höhe des Substituierungs- bzw. Dotierungsgrades wird außer der
Curietemperatur auch die Höhe der elektrischen Schaltfeldstärke, d.h. des einzustellenden Arbeitspunktes, bestimmt»
Im folgenden werden bevorzugte Beispiele für zur Anwendung
309849/0606
kommender Mischsysteme gegeben. Die elektrischen Widerstände
der angegebenen Materialien liegen, gemessen bei Raumtemperatur,
2 θ
überwiegend im Bereich zwischen 10 und 10 Ohm 'cm. Es
empfiehlt sich zur Durchführung der Lehre nach der Erfindung ein magnetisches halbleitendes Material zu verwenden, daß
bei den Temperaturwerten des durch die Arbeitsbedingungen vorgegebenen Bereiches einen spezifischen elektrischen Wider-
2 3
stand zwischen etwa 10 und etwa 10 Ohm * cm hat.
Im folgenden werden spezielle bevorzugte Mischsystem angegeben:
, -LX mit L β La bis Lu, T, Sr, vorzugsweise
mit L = Gd, Fe od. Nd mit X » 0, S, Se, Te
und mit 0 < χ < 0,1
S mit 0 < χ < 1
S. _ mit 0<x<1
JL Ί—X
xGd S + Gd2S5 mit 0<x<0,3
CuCr2 X4_x Υχ mit X*S od. Se
und T-Cl, Br, J
und 0,8<x<1
Zn1^xCdxCr2S4 Q<x<1
Zn1^xCdxCr2Se4 ' - - -
S4 - « -
Ro. _ M _
Mn1-xCdxCr2S4
Mn1-xCdxCr2Se4
Mn1-xCdxCr2Se4
Fe1^xCdxCr2S4 O
<x <:0,5
Fe1 ^xCdxCr2Se4 0,99 C χ ^ *■.
3Q9849/0606
Eu1-xCdxCr2S4 °''
Eu1-xCdxCr2Se4
CoRh2^xCrxS4 O
< χ <2
Cd1_xGfxCr2S4 O
< χ < 0,05
Cd^xGaxCr2Se4 - - « - -
Cd1-xInxCr2S4 - " -
Cd1-xInxCr2Se4 - '" -
Cd1^CuxCr2S4 - · Cd1
Cu Cr9Se^ "
Besonders erprobt sind die Verbindungen:
•Cd0,64Zn0,34Ga0,02Cr2S4 '
Cd0,64Zn0,34Ga0,02Cr2Se4
S4 ° < x:
<Fe1-xCdx>0,98Ae0,02Cr23e4 0<x
Von besonderem Interesse für die Erfindung ist magnetisches halbleitendes Material mit Werten der Curietemperatur oberhalb
der Raumtemperatur. Solche Materialien sind bereits in der älteren Patentanmeldung P 21 65 588.9 angegeben. Dieses
Material hat die allgemeine Zusammensetzung.
A1 . u . w Du
wobei w zwischen 0 und 0,4 und u und ν zwischen 0 und 1 liegen,
wobei u + ν = 1 und χ + ζ = 4 ist und ζ zwischen 0 und 1 liegt,
wobei.A für wenigstens eines der Elemente Efcr++ , Sr, Ba, Pb,
wobei D für wenigstens eines der Elemente Cu, Ag, Au, Li, K,
Na, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, wobei D und E für wenigstens eines der Elemente der Seltenen Erden, einschließlich Lu, Ί, Ss
für V, Mn, Fe, Co, Ni, B, Al, Ga, In, Tl, wobei Z für ·
wenigstens einer der Elemente Cl, Br, J,. und wobei X für wenigstens eines der Elemente S, Se, Te steht bzw. stehen.
Insbesondere steht X für S , Se „ mit x1 + x" + ζ = 4 und
mit Werten x1 und x" zwischen
> 0 und < 4.·
Bevorzugt sind kupfer- oder silberdotiertes Europiura-Chromselenid,
in dem das Europium zweiwertig vorliegt. Das Europium kann dabei in diesem Material mit einem Unterschuß bis
40% (= w =s 0,4) gegenüber der stöchiometrischen Menge
(= w = 0) enthalten sein.
Für kupferdotiertes Europium-Chromselenid hat u einen Wert
zwischen etwa 0,01 bis 0,1.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der Beschreibung zu Figuren von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
hervor.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes magnetisch steuerbares Festkörper-Schaltelement 1 mit einem Körper 2 aus einem
magnetischen Halbleitermaterial. Auf einander gegenüberliegenden Oberflächen 4 und 6 dieses Körpers 2 befinden sich elektrisch
kontaktierende Belegungen 14 und 16. An diese Belegungen sind elektrische Anschlußleitungen 24 und 26 angeschlossen, die
die Belegungen mit einer Spannungsquelle 25 verbinden.
Durch die Pfeile 5 und 7 sind Magnetfelder angedeutet, die entsprechend einem Merkmal der Erfindung vorzusehen sind.
Es kann entweder ein Magnetfeld 5 oder ein Magnetfeld 7 vorgesehen
sein. Das Magnetfeld 5 ist parallel bzw. antiparallel zur Richtung des Stromes der elektrischen Ladungsträger im
Körper 2 gerichtet. Das Magnetfeld 7 ist senkrecht zu dieser Richtung der Ladungsträger ausgerichtet. Zur Optimierung des
erfindungsgemäßen Schalteffektes kann es von Vorteil sein, ein Magnetfeld mit von diesen Richtungen abweichende· Richtung
im Körper 2 vorzusehen. Das Auftreten eines optimalen Effektes ist dabei abhängig von der Kristallorientierung des kristallinen,
309849/0606 ^
vorzugsweise einkristallinen Körpers 2. Zur Erreichung einer entsprechenden Magnetfeldrichtung empfiehlt es sich magnetische
Felder mit den Richtungen 5 und 7 superponiert anzulegen, die ein Magnetfeld mit entsprechender resultierender Magnetfeld*-
richtung im Körper 2 erzeugen.
Figur 2 zeigt ein magnetisch steuerbares Festkörper-Schalt-
11 '
element, bei dem in der Oberfläche 4 des Körpers 2 ein Bereich 41 vorliegt, der den Charakter eines PN-Überganges hat.
Weitere dargestellte Einzelheiten der Figur 2 entsprechen der Figur 1.
Der PN-Übergang entsteht durch entsprechende Auswahl des Materials der kontaktierenden Belegung 141 in Bezug auf das
magnetisch halbleitende Material des Körpers 2. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind solche kontaktierenden
Metalle für die Belegungen 14 und 16 vorgesehen, die mit dem Jeweiligen Material des Körpers 2, ausgewählt aus der
vorangehend aufgeführten Zusammenstellung,sperrschichtfreie,
d.h» ohmsche Kontakte zwischen dem Körper 2 und der Belegung
bzw. Belegung 14 ergeben.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist.für den Übergang
zwischen dem Körper 2 und der Belegung 16, wie beim Beispiel nach Figur 1,ein sperrschichtfreier Übergang gewählt. Der'
Übergang zwischen dem Körper 2 und der Belegung 141 ist bezüglich der Materialien derart, daß infolge des auftretenden
PN-Überganges im Bereich 41 ein in einer Richtung sperrender Übergang entsteht.
Als Materialien für die Belegungen 14, 16, 141 kommen Cu, Ag, Au, Pt, Rh, Cr, Mo, Al, Ga, In, Pb, Zn, Cd, Hg oder
binäre Legierungen dieser Metalle in Betracht.
Wie bereits vorangehend angedeutet, ist die magnetische Feldstärke,
bei der die für die Erfindung ausgenutzte Umschaltung erfolgt, außer von der angelegten elektrischen Feldstärke von
30984-9/ 06 06
der Höhe und der Richtung des magnetischen Feldes im Körper abhängig. I.allg. ergeben sich für paralleles und für
senkrechtes Magnetfeld verschieden hohe Werte der Umschaltfeldstärke. Bei einer Ausführung nach Figur 2 mit einem in
einer Richtung sperrenden übergang ergeben sich außerdem zwei verschieden hohe elektrische Schaltfeldstärken und zwar
abhängig von der Fluß- bzw. Sperrichtung des durch den übergang 41 hindurch tretenden Stromes.
Figur 3 zeigt die Schaltcharakteristik eines erfindungsgemäß verwendeten magnetisch steuerbaren Schaltelementes. Auf der
Abszisse 21 ist die an dem Schaltelement anliegende elektrische Spannung bzw. die dem Körper herrschende elektrisch?
Feldstärke aufgetragen. Auf der Ordinate 20 ist der durch den Körper 2 hindurchfließende elektrische Strom aufgetragen.
Die Kurve 23 gibt einen typischen Verlauf .der Strom-Spannungs-Kennlinie
für den hochohmigen Schaltzustand an. Die Kurve 22 gibt den typischen Verlauf für den niederohmigen Zustand an.
Erfindungsgemäß ergeben sich diese beiden Zustände abhängig von der Höhe und von der Richtung der in dem Körper 2 aus
magnetisch halbleitendem Meterial herrschenden magnetischen Feldstärke. Für die Kurve 23 hat die magnetische Feldstärke
beispielsweise den Vert O und für die Kurve 22 einen Wert in
der Größenordnung von 1 Vs/m .
Wie bereits eingangs erwähnt, war es schon bekannt mit Hilfe
magnetischer Felder im Halbleitermaterial den elektrischen Widerstand zu steuern. Infolge der relativ geringen magnetoelektrischen
Wechselwirkung treten dort Jedoch bei den infrage kommenden magnetischen Feldstärken nur Bendverschiebungen bis
und
10 oder 15 % dem entsprechend geringe WiderstendsMnderungen des Materials auf.
10 oder 15 % dem entsprechend geringe WiderstendsMnderungen des Materials auf.
Bei der Erfindung wird dagegen ein magnetisch induzierter elektrischer Schaltvorgang ausgenutzt. Wie auch aus der Figur
ersichtlich ändert sich dabei der elektrische Widerstand um mehrere Größenordnungen, und zwar bei relativ geringer Änderung
3 09849/0606
_. 9 —
einer relativ kleinen magnetischen Feldstärke. Dies beruht . ■
u.a. auf der gemäß einem Merkmal, der Erfindung-im magnetischen
Halbleitermaterial vorgesehenen elektrischen Schaltfeldstärke. Zwar liegt auch in den bisher bekannten Anordnungen
mit magnetischer Widerstandsänderung in dem Halbleitermaterial ein elektrisches Feld vor, jedoch nur zur Bewegung der dort
fließenden Ladungsträger. Diese Feldstärke ist um vieles kleiner als die erfindungsgemäß vorgesehene Schaitfeldstärke.
Die erfindungsgemäß vorgesehene elektrische Schaltfeldstärke ist so hoch, daß zur im niederohmigen Schaltzustand
ein in den Figuren 1 und 2 mit 125 bezeichneter elektrischer Vorschaltwiderstand im Stromkreis vorzusehen ist. Zum Übergang
von dem niederohmigen Schaltzustand auf den höchohmigen
Schaltzustand ist die Spannungsquelle 25 wenigstens kurzzeitig auszuschalten, um den niederohmigen Schaltzustand
zu löschen.
4 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
Claims (4)
- - ίο -Patentansprücheerwendung eines Festkörper-Schaltelementes mit kristallinem Festkörper und mit Elektroden auf dem Festkörper, wobei in dem Material des Festkörpers eine elektrische Feldstärke vorliegt, dadurch gekennzeichnet , daß ein Körper aus einem magnetischen Halbleitermaterial vorgesehen ist und daß sich zum Umschalten von einem elektrisch hochohmigen in einen elektrisch niederohmigen Leitungszustond der Körper in einem veränderbaren Magnetfeld befindet, wobei das Umschalten durch die Änderung der Größe der magnetischen Feldstärke im Kö'rper von einem kleineren auf einen größeren Wert oder umgekehrt erfolgt und wobei sich der Körper auf einer Temperatur befindet, die unterhalb oder nahe oberhalb der Temperatur des Curie-Punktes und im Bereich der kritischen Fluktuation des Spinsystems befindet und daß die anliecende elektrische Spannung zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Feldstärke im Festkörper im hochohmigen Zustand einen Wert hat, bei dem beim Ausgangswert der magnetischen Feldstärke noch kein Umschalten erfolgt.
- 2. Verwendung eines Festkörper-Schaltelementes nach Anspruch 1, bei der für den Körper ein Cedraium^Zink-pelliura-TChrom-Sulfid oder -Selenid vorgesehen ist.
- 3. Verwendung eines Festkörper-Schaltelementes, nach Anspruch 1, bei der für den Körper.ein Eisen-, Cadmium-, Silber-, Chrorosulfid dder -selenid vorgesehen ist. ·
- 4. Verwendung eines Festkörper-Schaltelementes nach Anspruch 1, 2 oder 3f bei dem für eine der Elektroden auf dem Festkörper ein Metall oder eine binäre Metallegierung vorgesehen ist, die mit dem Material des Festkörpers einen PN-Übergang bildet.309849/0608
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