DE3903919A1 - Verfahren zur nutzbarmachung der kinetischen energie von elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzbarmachung der kinetischen Energie von Elektronen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, und/oder eine zugehörige Vorrichtung bzw. Anordnung.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß man die kine­ tische Energie von diffus bewegten Teilchen ausnutzen kann, wenn es gelingt, die sog. mittlere freie Weglänge zwischen zwei Kollisionen von der Richtung und/oder der Orientierung ihrer Bewegung, die ja an sich ganz regellos erfolgt, in vorbestimmter Weise abhängig zu machen, bzw. eine bevorzugte Bewegungsrichtung zu erteilen.

Hier bezweckt die Erfindung, eine bestimmte geometrische Anord­ nung von Streuzentren der Teilchen mit einem statischen oder dynamischen Kraftfeld in Wechselwirkung zu bringen, derart, daß die Teilchen zwischen zwei Streuvorgängen auf eine nicht lineare Bahn gezwungen werden. Hierdurch soll eine dann nicht mehr gleichmäßige Verteilung der Teilchen, sondern eine "Un­ gleichverteilung" erreicht werden. Die Wechselwirkung zwischen Streuzentren und dem Kraftfeld wird so vorgesehen, daß die Teilchen je nach ihrer Anflugsrichtung bzw. Orientierung nach der letzten Kollision von dem ablenkenden Feld entweder zu weiteren Streuzentren hin oder von ihnen weggeführt werden. Auf diese Weise entstehen unterschiedlich lange mittlere freie Weglängen. Diese ergeben wiederum eine unterschiedliche Häufigkeit der Teilchen, die sich in die eine oder andere Richtung bewegen und somit eine räumlich ungleiche Dichte­ verteilung in einem vorbestimmten Werkstoff oder Körper.

Mit der vorliegenden Problemstellung sind Hallgeneratoren nicht vergleichbar, obgleich bei ihnen z. B. eine Keramik­ halterung, Werkstoffplättchen, z. B. aus Halbleitermaterial, von einer Dicke von z. B. weniger als 0,1 mm benutzt werden, obgleich dort an zwei gegenüberliegenden metallischen Kon­ takten eine Hallspannung abnehmbar ist und das Halbleiter­ plättchen einem Magnetfeld ausgesetzt ist, denn dort ist not­ wendig, einen von außen aufgeprägten Steuerstrom zuzuführen und insbesondere die Stärke des Magnetfeldes oder die Magnet­ feldänderung zu messen und z. B. als Maß für sonstige Para­ meter zu verwerten.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ganz generell für an sich beliebige sich diffus bewegende Teilchen Maß­ nahmen anzugeben, durch welche ihre mittlere freie Weglänge richtungsabhängig gemacht und somit die Energie der zugehöri­ gen Teilchen ausgenutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebene Maßnahme erreicht.

Durch die zugehörige besondere Abstimmung der sphärischen Krümmung der Schicht, ihrer zugehörigen Dicke, des zugehörigen Werkstoffs und angepaßten Größe und Richtung des Magnetfeldes wird aus dem zugehörigen Bauteil eine Art elektrische Spannungs­ quelle oder elektrisches Element geschaffen, welches eine elek­ trische Energie nach außen abzugeben vermag.

Eine Art Batterie aus diesen einzelnen Spannungselementen gewinnt man durch passende Zusammenschaltung, z. B. in Serie. Eine Vereinfachung der Anordnung und Einsatz nur eines homogenen Magnetfeldes erhält man, wenn die sphärische Krümmung diejenige eines Kreisbogens ist.

Die Spannung ist an beabstandeten Eckbereichen des Bogens des Halbkreises abzugreifen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine diffuse Elektronenbewegung ohne Magnetfeld in einem Halbleiter,

Fig. 2 die diffuse Elektronenbewegung im Halbleiter, wenn einem Magnetfeld ausgesetzt,

Fig. 3 eine Stirnansicht auf die bogenförmige Halbleiter­ schicht,

Fig. 4 eine Stirnansicht auf eine bogenförmige Halbleiter­ schicht auf einem Basiskörper als Isolator und eine Anzahl von Elektronenbahnen,

Fig. 5 schematisch, eine auf einen Isolator aufgebrachte Halbleiterschicht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1-5 wird die Ausnut­ zung der kinetischen Energie der Leitungselektronen in einem Festkörper, hier einem Halbleiter, erläutert.

Zur Einleitung dieser Ausführungsform: Es ist anerkannter Stand von Wissenschaft und Technik, daß Leitungselektronen in Metallen und Halbleitern, z. B. Si-dotiertes InGaAs, mittlere freie Weg­ längen zwischen den Kollisionen zurücklegen. Die mittleren frei­ en Weglängen können nach vorliegenden Messungen Längen von 1000 Angström (A) und mehr betragen, vgl. Lit. 3.

Es ist ferner anerkannter Stand von Wissenschaft und Technik, daß Leitungselektronen auch ohne Anliegen eines äußeren elektrischen Feldes eine diffuse Bewegung durchführen und ihre mittlere kine­ tische Energie mit ³/₂ kT abgeschätzt werden kann (Lit. 4). Auch ist anerkannt, daß ein von außen angelegtes statisches Magnet­ feld durch einen Festkörper durchgreift und die diffus bewegten Elektronen auf eine Bahn von der Gestalt eines Kreisausschnittes (bezogen auf die zur magnetischen Feldrichtung senkrechte Ebene) zwischen zwei Kollisionen führt (Lit. 5). Fig. 1 stellt diffuse Elek­ tronenbahnen 1 im Falle der Abwesenheit, Fig. 2 die Bahnen 2 im Falle der Anwesenheit eines Magnetfeldes H in einem Festkörper 3, gezeigt als Volumenausschnitt, dar.

Durch moderne Auftragstechniken (Lit. 6) ist es möglich, zusammenhängende Festkörperschichten von einigen zehn bis hundert Angström Dicke zu erstellen. Dabei halten sich die Oberflächenunebenheiten dieser Schichten in Grenzen, die klein sind gegen die erzielten Schichtdicken. Benutzt man nun die Grenzzone 4, 5 zwischen der Halbleiterschicht 6 und einen diese Halbleiterschicht umgebenden Isolator 7 als Streuzone, an der die aus dem Halbleitervolumen kommenden Elektronen kollidieren, so läßt sich durch Formgebung der Halbleiterschicht die geometrische Anordnung dieser Streu­ zonen festlegen, z. B. in Form eines Bogens wie in Fig. 3 als Schnitt dargestellt.

Wählt man die Dicke der Halbleiterschicht 6 in der Größen­ ordnung der mittleren freien Weglänge, oder kleiner, und legt man ein äußeres Magnetfeld H an, dessen Kraftlinien senkrecht zu der in Fig. 3 gezeigten Schnittfläche durch die Halbleiterschicht verlaufen, so kann das gewünschte geometrische Zusammenspiel zwischen Magnetfeld und Geometrie der Streu­ zentren erreicht werden.

Bei vorbestimmter Wahl der Magnetfeldstärke wird nämlich der Bahnkrümmungsradius der Elektronen in die gleiche oder eine benachbarte Größenordnung des Halbleiterschicht-Krümmungs­ radius, z. B. 30 000 Angström, fallen. Fig. 4 zeigt für einen willkürlich gewählten Anfangsstartpunkt 10 eines Elektrons nach einem soeben vollzogenen Stoß in der Halbleiterschicht 6 für verschiedene Startflugrichtungen die weiteren Bahnen 2 des Elektrons bis zur Kollision an der Schichtbegrenzung 4, 5 oder am Ende der mittleren freien Weglänge 5 a.

Simulativ und mit Methoden der mathematischen Analysis läßt sich zeigen, daß für die in Fig. 4 dargestellte Anordnung einer gekrümmten Halbleiterschicht 6 und korrespondierend gekrümmter Elektronenbahnen 2 die Möglichkeiten für das Elektron, mit der Projektion der Flugbahn in die rechte Hälfte der Halbleiterschicht 6 ohne weitere Streuung vor­ zudringen, größer sind als in die linke Hälfte. Dabei ist gleiche Wahrscheinlichkeit für Streuung in alle Anfangs­ flugrichtungen nach einem erfolgten Stoß angenommen. (Dies gilt jedoch auch dann, wenn eine Abhängigkeit der Anfangs­ flugrichtung nach einem erfolgten Stoß von der Flugrichtung unmittelbar vor dem Stoß, oder beliebige Mischformen von beiden angenommen werden.) Das bedeutet, daß das Elektron bei einer Anfangsflugrichtung nach rechts im Mittel weitere Strecken zurücklegt als bei einer Anfangsflugrichtung nach links.

Somit sammeln sich mehr Elektronen im rechten als im linken Teil der Halbleiterschicht 6 an. Es entsteht eine elek­ trische Potentialdifferenz, die
einerseits die Elektronen von der rechten Hälfte zurück­ treibt, bis ein elektrisches Gleichgewichtsfeld entstan­ den ist, welches die geometrische Bevorzugung der Flug­ bahnen nach rechts durch eine gleich große elektrische und kinetisch-statische Benachteiligung (Tendenz zur An­ gleichung der Ferminiveaus) kompensiert,
andererseits von außen, z. B. durch Metalleiter 15, 15 a, vgl. Fig. 5, an den äußeren rechten und linken Ecken 13, 14 in Fig. 4 des Halbleiterbogens abgreifbar ist.

Nach simulativen Berechnungen sind mit einem einzigen Halb­ leiterbogen in einem von einem Dauermagneten erreichbaren Feld Spannungen von 10E-4 V = 10^-4 V und mehr erzielbar. Äußerlich abgreifbare Ströme von 10E-8 A = 10^-8 A und mehr sind erreichbar. Durch geeignete Verschaltung mehrerer solcher Halbleiterbögen sind beliebige Ströme und Spannungen möglich.

In Anbetracht der dünnen Schichten sind die Werte zwar nicht größer. Die Werte reichen aber zum meßtechnischen Nachweis aus. Moderne Gleichstrommeßgeräte können Werte bis zu 0,1 nA messen.

Die Elektronen verlieren beim Übertritt von der linken in die rechte Hälfte des Bogens an kinetischer Energie in gleicher Weise, wie sie gegen das entstandene elektrische Potential anfliegen. Sie sind also "kälter". In einem ge­ schlossenen Stromkreis kühlen die Elektronen daher durch das beständige mehrheitliche Gegenanfliegen die Halbleiter­ schicht aus.

Herstellungsbeispiel für den Halbleiterschicht-Krümmungs­ radius in der Größenordnung 30 000 Angström:

Man nimmt einen makroskopischen, wasserlöslichen Kristall mit mindestens einer planebenen Oberfläche, z. B. einen Koch­ salzkristall mit einer planebenen Fläche etwas größer als 1 × 1 cm2. Den Kristall deckt man mit einer Maske so ab, daß nur ein rechteckiger Ausschnitt der Größe 1 × 1 cm2 auf dem Kristall gegenüber einer Verdampfungsquelle sicht­ bar ist.

Dann dampft man im Vakuum auf diese Fläche einen Isolator 7 a mit der Dicke 30 000 Angström auf. Verdampfung im Vakuum erfolgt unter geradezu geometrisch genauer Nachzeichnung der Maskenbegrenzung auf dem bedampften Substrat. In diesem Falle entsteht eine ca. 1 × 1 cm2 große Isolatorfläche auf der planebenen Kristallfläche. Auf eine Hälfte dieser Iso­ latorfläche dampft man dann mit Hilfe einer zweiten Maske eine Metalleiterschicht 15 mit Abmessungen ½ × 1 cm2 (Fläche auf dem Isolator) mal 1 mm (Dicke) auf.

An dieser Metallschicht klebt man nun mit Hilfe z. B. eines Stiftes mit einem Kleber das bisher entstandene Gebilde (Metallschicht, Isolatorschicht, Salzkristall) fest. Dann taucht man das Gebilde in Wasser und löst den Kristall auf. Nach Trocknung und Restwasserverdampfung im Vakuum ist die der Metallschicht 15 abgewandte Seite der Isolatorschicht sowie die zweite Hälfte der der Metallschicht zugewandten Seite frei. Auch die Kante 7 b des Isolators 7 a zwischen der der Metallschicht 15 zugewandten und der abgewandten Seite ist frei. Diese Kante ist natürlich nicht völlig eckig, sondern abgerundet, aber mit mikroskopischen Unebenheiten. Diese Kante bildet später den Innenradius der Halbleiter­ schicht.

Jetzt bedampft man genau gegenüber der bereits vorhandenen Metallschicht 15 auf der dieser gegenüber abgewandten Seite des Isolators eine zweite Metallschicht 15 a gleicher Ab­ messung und Dicke. Man hat jetzt also ein Gebilde aus zwei voneinander isolierten Metallschichten und einer dazwischen befindlichen doppelt so großen, aber nur 30 000 Angström dicken Isolatorschicht 7 a.

Nun spannt man dieses Gebilde zwischen zwei einander gegen­ überliegende Verdampfungsquellen. Dabei bringt man auf beiden Seiten Masken derart an, daß das von beiden Verdamp­ fungsquellen ausgesandte Halbleitermaterial 6 a die noch offenen Isolatorflächen und einen Teil der Metallschicht 15, 15 a erreicht. Ferner wird die Anordnung so gewählt, daß man das aufgedampfte Halbleitermaterial 6 a im Bereich der Metall­ flächen am dicksten und an der Isolatorkante 7 b am dünnsten aufträgt. Da von beiden Seiten aufgedampft wird, werden die aufgedampften Halbleiterflächen 6 a im Bereich der Isolator­ kante 7 b zusammenwachsen, vgl. Fig. 5. Wenn dieser zusammen­ gewachsene Halbleiterbereich 6 b an der Isolatorspitze die vorbe­ stimmte Halbleiterschichtdicke erreicht hat (was man z. B. aus Zeitreihen bestimmen kann), wird der Herstellungsvorgang beendet.

Als Resultat hat man eine Halbleiterschicht, die um einen 30 000 Angström dicken Isolator 7 a gekrümmt ist und an der der Krümmung abgewandten Seite zwei makroskopisch kontaktierbare Metallschichten 15, 15 a hat, die direkt als Spannungsabnehmer mit dem Halbleiter 6 a in Verbindung stehen.

Die notwendige Stärke des Magnetfeldes, dessen Vektor in Fig. 4 senkrecht zur Zeichnungsebene steht, wird im Einzel­ fall vorbestimmt. Sie ist in der Regel unterschiedlich für unterschiedliche Werkstoffe der Halbleiterschicht 6 oder Metallschicht. Die jeweilige Magnetfeldstärke ist in Abhängigkeit von der Festkörperschichtkrümmung zu ermit­ teln. Ermittelt man z. B. zunächst für Si-dotiertes InGaAs die mittlere freie Weglänge von 1000 Angström, so wird die Halbleiterschichtdicke entsprechend gewählt (kleiner als 1000 Angström). Zu dieser Halbleiterschichtdicke wird dann anhand der maximal im Halbleiter erzielbaren Magnet­ feldstärke die Halbleiterschichtkrümmung gewählt. Hierbei sind Remanenz von Dauermagneten bzw. Sättigungsinduktion von Weicheisenlegierungen zu berücksichtigen, mit denen das Feld an die gekrümmte Halbleiterschicht gebracht wird. Eisenlegierungen erreichen Sättigungsinduktionen von 1,5 Vs/m2. Im Ausführungsbeispiel ist der Wert 1 Vs/m2 be­ nutzt worden.

Hierauf beziehen sich die anderen Werte und Angaben. Bei der Optimierung des Wertes der magnetischen Feldstärke sind ferner die magnetische Suszeptibilität des Schicht­ werkstoffes und die (temperaturabhängige) mittlere Elektro­ nengeschwindigkeit zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist auf die vorstehenden Ausführungsformen und Zeichnungsbeispiele nicht eingeschränkt. Wenn es auch vorteilhaft ist, im homogenen Magnetfeld die Krümmung der Halbleiterschicht der Bahn des Kreisbogens anzupassen, so kann es von diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel Abwei­ chungen geben, insbesondere, wenn das Magnetfeld im Halb­ leiter inhomogen verteilt ist. Hier kann die sphärische Form, im Schnitt, die einer Parabel u. dgl. sein.

Neben der bevorzugten Beeinflussung von Leitungselektronen in Halbleitern oder Metallen kann die Erfindung vorteil­ haft Verfahrensschritte oder Bauteile mit gekrümmten Lei­ terschichten betreffen, die eine Bewegungsausrichtung/Orien­ tierung an Elektronenlöchern oder an anderen Konfigurationen bewerkstelligt.

Auch eine wie ein eckig geschriebenes U ausgebildete Halb­ leiterschicht hat den vorbezeichneten Effekt. In diesem Fall ist der Basiskörper rechteckig. Auch hier haben die bogenförmigen Elektronenbahnen in einer rechteckigen U-Schicht ebenfalls eine bevorzugte Bewegungsrichtung. Die Variante erfaßt auch treppenförmige Basiskörper bzw. Halb­ leiterschichten. Erfindungsgemäß notwendige Geometrie hier­ für, in allgemeiner Form, kann auch daraus bestehen, daß eine vorbestimmte, aber relativ dünne, der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektronen in dem vorbe­ stimmten Werkstoff entsprechende, oder kleinere Schicht (Halbleiter oder Metall) so vorbestimmt geformt wird, daß durch das geometrische Volumen dieser Schicht eine oder mehrere (gedachte) sphärisch gekrümmte Linien (a) mit vor­ bestimmter Krümmungsorientierung über eine größere Strecke ohne Berührung mit dem Schichtrand verlaufen als jede ge­ dachte gerade Linie oder jede gedachte mit umgekehrter Orientierung gekrümmte Linie, sowie die Größe und Richtung des Magnetfeldes so vorbestimmt sind, daß die Bahnkrüm­ mungsradien der Elektronen in der Schicht von zugehöriger Dicke eine gleiche oder benachbarte Größenordnung wie die o. a. (gedachten) Linien (a) aufweisen und zwischen zwei benachbarten Stellen der Schicht eine Potentialdifferenz abgegriffen wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Nutzbarmachung der kinetischen Energie von Elektronen in als Festkörper vorliegenden Werkstoffen, z. B. von Halbleitern und Metallen, wobei ein geometrisch abgegrenz­ ter Basiskörper aus diesem Werkstoff einem äußeren Magnet­ feld ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine vorbestimmt sphärisch gekrümmt ausgebildete oder mindestens eine Ecke mit einem Eckwinkel von mindestens 25° aufweisende Oberfläche des Basiskörpers, wobei der Basiskörper aus einem elektrischen Isolierstoff besteht, eine relativ dünne, der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektronen in diesem vorbe­ stimmten Werkstoff entsprechende, oder kleinere, Schicht auf­ gebracht ist, sowie die Größe und Richtung des Magnetfeldes so vorbestimmt sind, daß der Bahnkrümmungsradius der Elek­ tronen in der Schicht von zugeh. Dicke eine gleiche oder be­ nachbarte Größenordnung wie der Schichtkrümmungsradius auf­ weist und zwischen zwei beabstandeten Stellen der gekrümmten Schicht eine Potentialdifferenz abgegriffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der sphärisch ausgebildeten Oberfläche des Basis­ körpers oder der Schicht der Krümmung eines Kreises ent­ spricht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Mehrzahl von beschichteten Basis­ körpern hintereinander angeordnet und ihre jeweiligen elek­ trisch leitenden Schichten als Spannungselemente miteinander verschaltet, z. B. batterieartig in Serie verschaltet, sind.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme der Potentialdifferenz an den beabstandeten Eckbereichen der halbkreisförmigen Schicht­ bögen erfolgt.