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Halbleiterverstärker Seit langem ist die Verwendung von Halbleitern,
beispielsweise von Germanium, beim Bau von Gleichrichtern bekannt. Seit einigen
Jahren versucht man, dieselben zum Hervorrufen von Relaiswirkungen zu verwenden,
die den mit Hilfe von Elektronenröhren erzielten ähneln. Neue Arbeiten (s. insbesondere
»Physical Review« vom 15. Juli 1948, S. 23o, die Mitteilung von J. Bardeen und W.
H. Brattain über ein Organ, genannt »Transistor«) führten zur experimentellen Entwicklung
eines Elements, das im wesentlichen aus einem Germaniumkristall besteht, welches
auf einer geerdeten Grundlage angebracht ist und auf dessen Oberfläche zwei Kontaktspitzen
aufsitzen, die voneinander etwa 5o bis 250,u entfernt sind. Eine dieser Spitzen
bildet die sogenannte Steuer-, die andere die sogenannte Ausgangselektrode, die
der Kathode und Anode einer üblichen Triode entsprechen. Um dieses Element als elektronisches
Relais zu benutzen, wurde vorgeschlagen, zwischen die Steuernadel und die geerdete
Grundplatte, auf welcher der Germaniumkörper aufgebracht ist, ein Eingangssignal
und eine schwache positive, in Reihe geschaltete Spannung einzuschalten, während
eine starke negative Spannung zwischen dieser geerdeten Grundplatte und der Ausgangsnadel
gelegt ist, derart, daß das Ausgangssignal an den Klemmen eines Belastungswiderstandes
sich äußert, welcher in Reihe mit der negativen Spannung gelegt ist.
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Es scheint, daß in der Praxis dieses System zu gewissen Schwierigkeiten
führt.
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Vor allem ist es in einem solchen System erforderlich, über einen
Kristall zu verfügen, welcher aus
zwei halbleitenden Teilen besteht,
die einen verschie= denen Leitfähigkeitscharakter haben; zum Beispiel muß der eine
Teil elektronenleitend sein, während der andere Teil defektelektronenleitend ist,
die voneinander durch eine Sperrschicht getrennt sind, was offensichtlich eine Komplikation
darstellt.
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Außerdem ist die Verwendung zweier Punktelektroden erforderlich, deren
gegenseitige Entfernung überaus gering ist, die ungefähr, wie bereits gesagt, 5o
bis 25o ,u beträgt, eine Bedingung, die praktisch schwer zu erfüllen ist.
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Dazu kommt, daß in diesem System der von der einen Punktelektrode
zur anderen fließende Anodenstrom nur durch eine äußerst dünne Oberflächenschicht
hindurchgeht, deren Dicke etwa io=5 cm beträgt. Wenn der Strom nun eine gewisse
Intensität hat, muß er die Kristalloberfläche lokal stark erwärmen, da ja die Schicht
für seinen Durchgang, wie gesagt, sehr dünn ist; dies würde nicht geschehen, wenn
der Stromdurchgang durch eine größere Schicht hindurch erfolgen würde.
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Ein anderer Nachteil liegt in der Tatsache, daß das genannte System
auf der Steuerseite in der Fluß= richtung arbeitet, das ist in der Richtung des
geringsten Widerstandes. Da' nun das Signal sehr schwach ist, ist es wichtig, in
der Richtung des größten Widerstandes zu arbeiten, um das Zusammenbrechen des Signals
in einem kleinen Widerstande zu vermeiden.
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Schließlich stößt man, im Falle der Verwendung zu starker Steuerströme,
auf der Steuerseite auf eine übermäßige Steigerung des Rauschens, welches unter
Umständen sogar das Signal vollständig überdecken kann, so daß die Verwendungsmöglichkeit
des in. Betracht gezogenen Systems eingeschränkt ist. ' In einem älteren Vorschlag
der Patentinhaberin, wird ein System beschrieben, welches die Wirkungen elektronischer
Relais besitzt und gleichzeitig einzelne der oben angeführten Nachteile beheben
kann, insbesondere denjenigen des zu geringen Abstandes der Punktelektroden, der,
wie bereits gesagt, in der Praxis die, allergrößten Schwierigkeiten zu bereiten
pflegt. Jedoch auch dieses System ist immer noch mit dem Nachteil behaftet, daß
dasselbe einen Kristall verwendet, dessen Teile verschiedene Leitfähigkeitseigenschaften
aufweisen müssen.
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Bei der Erfindung wird der im nachfolgenden beschriebene Effekt benutzt,
zu dessen Erklärung die Fig. = und 2 dienen.
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Wenn ein dünner Halbleiter (in den Fig. i und 2 dargestellt) mit einer
metallischen Elektrode versehen wird, die in der ihr gegenüberliegenden Oberfläche
des Halbleiters eine Sperrschicht bildet, und wenn ein elektrischer Strom der Längsrichtung
nach durch den von der Elektrode nicht bedeckten Teil des.Halbleiters geschickt
wird, so beobachtet-man, daß sich der Verlauf der Stromlinien ändert, wenn die Stromrichtung
umgekehrt wird.
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Die Änderung des Verlaufs der Stromlinien ist derart, daß in der Flußrichtung,
welche von der Sperrschicht wegweist, die Stromlinien senkrecht in die Metallelektrode
längs einer Länge x0 einmünden, deren Größe etwa gleich der Dicke y, des Halbleiters
ist (s. Fig. i). Wenn nun der Strom in Sperrichtung fließt, in welcher sich die
Sperrschicht bildet, so beobachtet man, daß die Größe X, stark anwächst (s. -Fig.
2).
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Die Länge x, kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei e die Dicke der Sperrschicht bedeutet. Der Wert von e ist für größere Ströme
in der Flußrichtung gleich Null und kann bei Strömen, die in der Sperrrichtung fließen,
Werte von ungefähr io-4 cm erreichen. ay ist die Leitfähigkeit in der Sperrschicht;
a ist die Leitfähigkeit des Halbleiters.
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Der eben beschriebene Effekt kommt daher, daß die Stromlinien es vorziehen,
einen längeren Weg parallel zur Halbleiteroberfläche zu nehmen, um dann eine viel
größere Fläche für die Durchquerung der Sperrschicht .vorzufinden.
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Wenn von den für Systeme mit asymmetrischer Leitfähigkeit bzw. für
übliche Gleichrichter gültigen Werten ausgegangen wird, so könnenungefähr folgende
Verhältnisse erreicht werden
Unter der Annahme, daß die Dicke des Halbleiters Yo = 50 A beträgt, ergibt sich
aus der vorhergehenden Gleichung, daß _ X, = 0,2 cm ist.
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Der soeben beschriebene Effekt ist wesentlich verschieden von der
Verschiebung der Stromlinien, die bei gleicher Umkehrung der Stromrichtung in einem
System beobachtet wird, das aus einem halbleitenden Kristall besteht, der aus Teilen
mit verschiedenen Leitfähigkeitseigenschaften zusammengesetzt ist (z. B. einer dünnen
halbleitenden Schicht mit Defektelektronenleitung auf einem Kristall mit Elektronenleitung),
wenn auf einen solchen Körper eine Punktelektrode gesetzt wird. In diesem Falle
kommt es nur dann zu einer Verschiebung der Stromlinien, wenn die defektelektronenleitende
Schicht die Dicke einer Sperrschicht besitzt (Mittelwert io-5 cm, Höchstwert io-4
cm), während der erfindungsgemäß angewendete Effekt bei elektrisch homogenen Halbleitern
zu beobachten ist, wenn deren Dicke ungefähr 50 ,u beträgt.
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Bei einem mittels Elektronenströmen steuerbaren Halbleiterverstärker,
der eine dünne Halbleiterschicht und mehrere parallel zur Oberfläche des Halbleiters
verlaufende und mit Abstand voneinander angeordnete Elektroden aufweist, besitzt
nach der Erfindung die dünne Halbleiterschicht eine Stärke von 5o bis 300 A und
ist entweder rein' elektronenleitend oder rein defektelektronenleitend, und die
dem Kreis der Steuerelektrode und dem Kreis der Ausgangselektrode gemeinsame, parallel
zum Halbleiter verlaufende Elektrode ist in dem die Ausgangselektrode und die Steuerelektrode
trennenden Zwischenraum angeordnet.
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An den Berührungsflächen der Ausgangs- und der Steuerelektrode mit
der Oberfläche des Halbleiters
ist keine Sperrschicht nötig, während
in der Berührungsfläche der gemeinsamen Elektrode mit der Oberfläche des Halbleiters
eine Sperrschicht existieren soll.
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Der Mittelpunkt der gemeinsamen Elektrode ist gegenüber dem Mittelpunkt
des Zwischenraumes, der die Ausgangs- und Steuerelektrode trennt, in der Richtung
der Ausgangselektrode zu versetzt.
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Die Steuerelektrode ist mit einer Signalquelle in Reihe verbunden,
während die Ausgangselektrode in Reihe an eine Anodenspannungsquelle angelegt ist.
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Die Entfernung zwischen der Steuer- und der Ausgangselektrode ist
dadurch begrenzt, daß dieses Elektrodensystem für sich einen Gleichrichter mit einem
Sperrverhältnis von 7 : z bildet.
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Die Entfernung zwischen den Ausgangs- und Steuerelektroden ist dadurch
begrenzt, daß der elektrische Widerstand zwischen diesen beiden Elektroden geringer
sein soll als der elektrische Widerstand zwischen der gemeinsamen Elektrode und
der Steuerelektrode.
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Die gemeinsame Elektrode ist relativ zur Ausgangselektrode derart
angeordnet, daß der in der Flußrichtung gemessene Widerstand zwischen diesen beiden
Elektroden geringer ist als der elektrische Widerstand zwischen der Ausgangs- und
der Steuerelektrode.
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Im Falle einer Anordnung mit den Eigenschaften eines für Hochfrequenzen
verwendbaren elektronischen Relais werden Halbleiter mit großer Elektronenbeweglichkeit
oder großer Defektelektronenbeweglichkeit verwendet.
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Die Anordnungen mit Halbleitern und mehreren Elektroden, wie solche
im nachstehenden beschrieben werden, bilden neue Industrieprodukte.
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In den Fig. 3 bis 7 der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes in schematischer Darstellung beispielsweise veranschaulicht.
Es stellt dar Fig. 3 bis 5 eine erste Ausführungsform und die Wirkungsweise des
Erfindungsgegenstandes unter verschiedenen Betriebsbedingungen, Fig. 6 und 7 zwei
weitere Ausführungsformen mit Abwandlungen in der Anordnung der Elektroden. Wenn
nun vorerst von der in den Fig.3 bis 5 dargestellten Ausführungsform ausgegangen
wird, ist zu beachten, daß die Vorrichtung aus einem Halbleiter x besteht, der die
Gestalt einer dünnen Schicht hat, die im Mittel 5o ,u und im Höchstfall 3oo ,u dick
ist und deren elektronische Eigenschaften vollkommen gleichförmig sind. Es kann
dies beispielsweise eine Schicht von Germanium sein, auf dessen Oberfläche einesteils
eine Ausgangselektrode 2 und eine Steuerelektrode 3 angebracht sind, die parallel
zur Oberfläche des Halbleiters liegen und voneinander durch einen Zwischenraum getrennt
sind. Die andere Oberfläche der Germaniumschicht trägt die gemeinsame Elektrode
4, die ebenfalls parallel zur Körperoberfläche liegt, wobei diese Elektrode 4 die
Breite b aufweist und gegenüber dem Zwischenraum a angebracht ist, der die Ausgangselektrode
2 und die Steuerelektrode 3 trennt.
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Wie aus den besagten Zeichnungen ersichtlich ist (Fig.4), ist der
Mittelpunkt der gemeinsamen Elektrode um eine Entfernung c gegenüber dem Mittelpunkt
des Zwischenraumes a seitlich in Richtung der Ausgangselektrode versetzt.
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Die Ausgangselektrode 2 und die Steuerelektrode 3 sind ohne Sperrschicht
auf der Unterseite des Kristalls aus halbleitendem Material angeordnet und ihre
Ausdehnung ist keineswegs beschränkt.
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Um den Kristall als Triode arbeiten zu lassen, verwendet man eine
Gesamtheit von Hilfsvorrichtungen, die in Fig. 3 bis 5 durch Rechtecke E und S schematisch
dargestellt sind. Darunter sind die üblichen elektrischen Schaltelemente verstanden,
die wir nicht in ihren Einzelheiten darzustellen brauchen. Die Gruppe E umfaßt die
Signalquelle, die Spannung für die Antriebselektrode, chemische Widerstände und
gegebenenfalls Reaktanzen, das sind Kapazitäten und Induktivitäten. Diese Gruppe
ist in Reihe an die Empfangselektrode gelegt. Die Gruppe S umfaßt eine Anodenspannungsquelle
und geeignete Widerstände. Diese ist in Reihe mit der Sendeelektrode gebracht.
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Das Vorzeichen der angelegten Spannungen, das der Polarität der Sperrschicht
zu entsprechen hat, ist in den Fig. 5, 6 und 7 angegeben; diese Angaben gelten für
den Fall, daß der Halbleiter elektronenleitend ist. Umgekehrte Vorzeichen kommen
in Betracht im Falle der Verwendung eines Halbleiters mit Defektelektronenleitung.
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In der Fig. 3 ist ersichtlich gemacht, wie der Steuerstrom 5 die Bildung
einer ausgebreiteten Sperrschicht unterhalb der Elektrode 4 bewirkt (der Erscheinung
entsprechend, die in Verbindung mit den Fig. z und 2 erklärt wurde). Diese Schicht
zwingt den Anodenstrom 5, die Strecke zu verfolgen, die die Elektroden 2 und 3 direkt
verbindet, um dann in die äußeren Widerstände zu gelangen, die in E angeordnet sind,
und schließlich die Gruppe S zu erreichen. In diesem Falle ist der Widerstand des
Anodenkreises sehr hoch. Damit die Elektrode 4 dem Anodenstrom ein wirksames Hindernis
entgegensetzen kann, ist es erforderlich, daß die Breite b der folgenden Regel entsprechend
eingeschätzt wird.
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Mittelwert b = o,1 mm; Höchstwert b = z mm. (z) In der
Fig. 4 ist der Zustand dargestellt, wenn die Steuerspannung gesunken ist und unterhalb
der gemeinsamen Elektrode 4 nur ein Teil der Fläche mit einer Sperrschicht bedeckt
ist, derart, daß der Strom nun die Elektrode 4 mit der Elektrode 2 verbindende Strecke
durchfließt. Um diese Änderung hervorzurufen, und zwar durch Veränderung der Steuerspannung,
ist es erforderlich, daß die Entfernung 1/, a T c zwischen den Elektroden
3 und 4 derart begrenzt wird, daß dieses Elektrodensystem zusammen mit dem Halbleiter
einen guten Gleichrichter (Sperrverhältnis mindestens 7: z) bildet: Mittelwert:
1/2 a -f- c = 0,5 mm; Höchstwert: 1/2 a -f- c = 5 mm.
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Damit der in Fig. 3 dargestellte Verlauf der Stromlinien in den in
der Fig. 4 veranschaulichten Verlauf übergehe, was einer bedeutenden Veränderung
des Anodenstromes entspricht, ist es erforderlich, daß der elektrische Strom zwischen
den Elektroden 2 und 4 (s. Fig. 4) einen kürzeren Weg zurückzulegen hat als
die
zwischen den Elektroden 2 und 3 (s. Fig. 3) gelegene Strecke. Diese Bedingung kann
dadurch erfüllt werden, daß die Elektrode 4 um die Länge c in der Richtung zur Elektrode
2 zu versetzt wird.
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Die Fig. 5 zeigt schließlich den Stromverlauf im Falle, wenn die Steuerspannung
das Vorzeichen wechselt, das heißt im angenommenen Beispiel wenn der Steuerstrom
den »direkten« Weg in der Flußrichtung fließt.
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Wie ersichtlich, bildet sich je nach Wert und Vorzeichen der Steuerspannung
unterhalb der Elektrode 4 eine Sperrschicht, deren Dicke zwischen Null (s. Fig.5)
und einen Höchstwert b (s. Fig. 3) betragen kann, wodurch die vom Anodenstrom durchlaufene
Strecke bestimmt wird, so daß die Möglichkeit besteht, eine große Anzahl von Ausführungsformen
von Steuerungen zu verwirklichen.
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Zur Herstellung der oben beschriebenen Vorrichtung kann jeder Halbleiter
verwendet werden, der bisher üblicherweise bei Gleichrichtern Verwendung fand.
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Selen, das eine sehr geringe Defektelektronenbeweglichkeit besitzt,
gestattet beispielsweise die Herstellung einer Kristalltriode, die für Niederfrequenzen
vollständig genügt.
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Germanium oder Silizium, deren Elektronenbeweglichkeiten sehr hoch
sind, entsprechen den Bedürfnissen der Hochfrequenz.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen modifizierte Elektrodenanordnungen, bei denen
aber die gleichen allgemeinen Merkmale wie bei dem in den Fig. 3 bis 5 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vorkommen.