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Halbleitersystem mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik
Die technische Verwendung von Widerständen aus festen Körpern, welche nicht dem
Ohmschen Gesetz genügen, ist seit langem bekannt.
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So dient die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie eines Kupferoxydul-
oder Selengleichrichters zur Gleichrichtung von elektrischen Strömen. Der Träger
der unipolaren Eigenschaften dieser Gleichrichter ist eine Randschicht, die sogenannte
Schottkysche Sperrschicht, welche sich, unmittelbar an die metallische Elektrode
angrenzend, in einer io-s bis 1o-4 cm dicken Oberflächenschicht des Halbleiters
ausbildet. Die geringe Dicke solcher Sperrschichten ist für den Gleichrichtereffekt
nachteilig, weil dadurch die Spannungsfestigkeit des Gleichrichters in der Sperrichtung
begrenzt wird. Will man in Analogie zur Elektronenröhre ein Steuergitter in die
Sperrschicht einbauen, so stößt man wegen der geringen Dickenausdehnung auf unüberwindliche
Schwierigkeiten. Es ist zwar möglich, mit Hilfe der sogenannten kapazitiven Steuerung
dünner Halbleiterschichten diese Schwierigkeit zu umgehen. Die durch diese Schichten
in der Längsrichtung fließenden Ströme sind jedoch so klein (io-9 bis io--s Amp.),
daß die kapazitive Steuerung selbst für die Schwachstromtechnik bis jetzt ohne technisches
Interesse ist. Die Situation hat sich verbessert, als man beim Studium der Gleichrichtereigenschaften
des Germaniums entdeckte, daß an den unipolaren Eigenschaften der Randschichten
nicht nur die Elektronen, sondern auch injizierte Defektelektronen, auch Löcher
genannt,
beteiligt sein können. Da diese die entgegengesetzte Ladung wie die Elektronen besitzen,
ist es möglich, daß sich Elektronen und Defektelektronen in Raumgebieten des Kristalls
anhäufen, ohne daß dabei eine Raumladung entsteht. Somit fällt die durch die elektrische
Raumladung gegebene Dickenbegrenzung weg. An ihre Stelle tritt nach W. Shockley
(W. Shockley: »Electrons und Holes in Semiconductors«, New York, 1950, S.
31¢, Gleichung 18) die durch die Elektronen- und Defektelektronendiffusion bedingte
Linearabmessung L =
(D = Diffusionskonstante, t = Lebensdauer eines Elektron-Loch-Paares),
welche für Germanium io-3 bis io-1 cm betragen kann. Wegen dieser großen Schichtdicke
wird die relativ große Spannungsfestigkeit der Germaniumdetektoren und der Germanium-p-n-Verbindungen
verständlich, ferner ist es möglich, in den Wirkungsbereich einer derartigen Randschicht
eine dritte Elektrode zu Steuerungszwecken einzubauen und somit mit dem sogenannten
Transistor Ströme zwischen r und Zoo mA zu steuern.
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Die Erfindung ermöglicht es, Randschichten von noch viel größerer
Dickenausdehnung zu schaffen und für die verschiedensten Zwecke, insbesondere für
die Steuerung, Beeinflussung, Gleichrichtung, Begrenzung, Aus- und Einschaltung
von Strömen oder Spannungen auszunutzen. Diese Ströme oder Spannungen können wesentlich
größer sein als bei den bisherigen Anordnungen.
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Bei dem Halbleitersystem mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik
nach der Erfindung ist als Halbleiter ein - Eigenhalbleiter verwendet, er steht
unter der Wirkung eines elektrischen und eines zu diesem in der Richtung versetzten
magnetischen Feldes und ist an derjenigen Oberflächenzone, von der aus unter der
Wirkung des magnetischen Feldes der Wegtransport der Elektron-Loch-Paare erfolgt,
von solcher Beschaffenheit, daß die Nachlieferung von Elektron-Loch-Paaren gegenüber
dem Wegtransport zurückbleibt und dadurch eine an Elektron-Loch-Paaren verarmte
Zone (»Magnetische Sperrschicht«) entsteht; die hierdurch erreichbare Änderung der
elektrischen Eigenschaften des Systems ist zur Steuerung benutzt.
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Der Ausdruck »Steuerung« ist im allgemeinsten Sinne zu verstehen,
er erfaßt unter anderem Beeinflussung, Gleichrichtung, Begrenzung, Aus- und Einschalten
usw.
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Unter einem elektronischen Eigenhalbleiter verstehen-wir einen Halbleiter,
bei welchem die Elektronenkonzentration und Defektelektronenkonzentration im thermischen
Gleichgewicht größenordnungsmäßig gleich groß ist. Zahlenmäßig wollen wir das so
festlegen, daß die Elektronenkonzentration höchstens Zomal so groß wie die Defektelektronenkonzentration
sein soll, oder umgekehrt. Unter einem elektronischen Eigenhalbleiter wird im Rahmen
der Erfindung auch noch ein Halbleiter verstanden, bei dem neben einer stark überwiegenden
Elektronenkonzentration (Konzentration negativer Ladungsträger) noch eine .merkbare
Defektelektronenkonzentration- (Konzentration positiver Ladungsträger) vorhanden
ist; oder umgekehrt. Elektronische Eigenhalbleiter, bei denen die Elektronenkonzentration
und die Defektelektronenkonzentration gleich sind oder sich nur wenig unterscheiden
(etwa um eine Zehnerpotenz), werden für die Zwecke der Erfindung bevorzugt.
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Zur weiteren Erläuterung sei auf die Zeichnung Bezug genommen.
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Wird gemäß Fig. Z ein elektronischer Eigenhalbleiter Z in der X-Richtung
von einem Strorp durchflossen und senkrecht zur Bildebene, in derZ-Richtung, einem
Magnetfeld 2 ausgesetzt, das durch die eingezeichneten Kreise mit Punkten angedeutet
ist, so werden sowohl die Elektronen als auch die Defektelektronen nach derselben
Seite des Kristalls abgelenkt, und zwar auf den schräg verlaufenden gestrichelten
Bahnen innerhalb des Magnetfeldes. Es findet somit auf der einen Seite des Halbleiterkörpers
Z eine Verarmung anElektronen und anDefektelektronen statt, auf der anderen Seite
hingegen eine Anreicherung. Dies ist in der Zeichnung dadurch angedeutet, daß die
schräg verlaufenden Bahnen im einen Seitenbereich, der Anreicherungsseite, stärker
ausgezogen sind als im anderen Seitenbereich, der Verarmungsseite. An sich findet
ein derartiger Effekt auch in einem reinen Elektronenleiter ohne Defektelektronen
statt. Die Anhäufung von Elektronen auf einer Seite ist jedoch mit der Entstehung
von Oberflächenladungen verbunden, die zu einem elektrischen Gegenfeld (Haufeld)
führen, so daß der Anhäufungseffekt sehr bald zum Stillstand kommt. Anders jedoch
bei einem Eigenhalbleiter. Da hier gleichzeitig Elektronen und Löcher auf die gleiche
Seite des Halbleiters transportiert werden, ist ein Anreicherungseffekt möglich,
ohne daß dabei eine nennenswerte Raumladung entsteht. Die Anhäufung von Elektronen-Loch-Paaren
auf einer Seite des Halbleiters wird nicht durch elektrische Gegenfelder beschränkt,
sondern kommt erst zum Stillstand, wenn die Gradienten in der Elektronendichte so
groß geworden sind, daß die magnetischen Kräfte durch die Gegenkräfte der Elektronen-
(bzw. Löcher-)Diffusion kompensiert werden.
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Sowohl. auf der Anreicherungsseite als auch auf der Verarmungsseite
befinden sich die Elektronen und Defektelektronen nicht im thermischen Gleichgewicht.
Bezeichnen wir die Gleichgewichtselektronenkonzentration des idealen Eigenhalbleiters,
welche gleich der Defektelektronenkonzentration, ist mit ni, die tatsächliche Elektronenkonzentration
mit n, die Defektelektronenkonzentration mit P, so gilt auf der Anreicherungsseite
np > n,2, auf der Verarmungsseite np < n;,2, während im Gleichgewicht
np = n,2 sein müßte. Ferner muß wegen der elektrischen Neutralität n f.--
P sein. Daher versucht die Verarmungsseite das Defizit an Elektron-Loch-Paaren durch
thermische Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren zu ergänzen, während die Anreicherungsseite
ihren Überschuß an Elektron-Loch-Paaren durch Rekombination zu vernichten sucht.
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Eine quantitative Untersuchung bei gewissen Metallen, bei denen gleichzeitig,sowohl
Elektronen- als auch Defektelektronenleitung vorhanden ist, z. B. die Übergangsmetalle,
wie Platin, Palladium usw., zeigt, daß bei den in Metallen anwendbaren elektrischen
Feldstärken die auf Elektronen und Defektelektronen
ausgeübten magnetischen
Kräfte so gering sind, daß die durch sie bewirkten Veränderungen der Elektronen-
und Defektelektronendichte durch thermische Erzeugung oder Rekombination sofort
zunichte gemacht werden. Aus diesen Gründen ist in den genannten Metallen sowohl
die Elektronen- als auch die Löcherkonzentration räumlich konstant und überall gleich
ihrem Gleichgewichtswert und praktisch unbeeinflußbar durch äußere elektrische und
magnetische Felder.
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Anders bei Eigenhalbleitern, bei denen es infolge der halbleitenden
Eigenschaft, d. h. schlechtleitend gegenüber den Metallen, möglich ist, elektrische
Felder anzulegen, die um viele Größenordnungen stärker sind als die bei Metallen
experimentell realisierbaren Feldstärken. . Eine einfache Zahlenrechnung mit eigenhalbleitendem,
gut kristallisiertem Germanium zeigt uns, daß ein Elektron-Loch-Paar senkrecht zu
einem äußeren elektrischen Feld von io Volt/cm, welches in derartigem Germanium
leicht realisierbar ist, und senkrecht zu einem dazu senkrecht stehenden Magnetfeld
von io ooo Gauß einen Weg von io cm zurücklegen kann, bevor es rekombiniert.
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Sehen wir vorläufig von der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren von
reiten der Eigenhalbleiteroberfläche auf der Verarmungsseite ab, so erkennen wir,
daß die Dicke -der Verarmungsschicht - ihrerseits dadurch definiert, daß in ihr
die Paarkonzentration _< nt ist -mit Leichtigkeit i bis io cm betragen kann.
Diese Werte von i und io cm stellen weder eine untere noch eine obere Grenze dar.
Die Verarmungsschicht werden wir von nun an magnetische Sperrschicht nennen, da
sie ihre Existenz einem Magnetfeld verdankt und da sie die für magnetische Phänomene
charakteristische elektrische Neutralität besitzt, im Gegensatz zu den durch elektrische
Raumladung gekennzeichneten Schottkyschen Sperrschichten. Ihr Vorteil gegenüber
den Schottkyschen Sperrschichten einerseits und den Slxockleyschen Diffusionsschichten
andererseits ist die verhältnismäßig beträchtliche Größe ihrer Dickenabmessungen,
was für die praktische Anwendung von größter Bedeutung ist, insbesondere bei höheren
Spannungen oder stärkeren Strömen. Die Begriffe »hohe Spannung« und »starker Strom«
werden dabei bezogen auf die beim Selengleichrichter erzielbare maximale Sperrspannung,
andererseits auf die im Transistor maximal zulässigen Ströme.
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In Fig.2 ist der Verlauf der Elektronen- bzw. Löcherdichte in der
y-Richtung, d. h. senkrecht zur Richtung des Primärstromes in Fig. i und senkrecht
zur Richtung des Magnetfeldes in Fig. i dargestellt. Die Dicke der an Elektron-Loch-Paaren
verarmten Schicht ist die magnetische Sperrschichtdicke'7imag". Sie ist um so größer,
je kleiner die Rekombination, genauer gesagt Volumenrekombination, von Elektron-Loch-Paaren
ist. Letztere ist um so kleiner, je vollkommener die kristalline Struktur des Halbleiterkörpers
i ausgebildet ist. An inneren Grenzflächen, Korngrenzen, findet im allgemeinen eine
starke Rekombination statt. Deshalb wird gemäß weiterer Erfindung als elektronischer
Eigenhalbleiter ein Einkristall verwendet; mit diesem erzielt man die besten Ergebnisse.
Weiterhin hängt der Verlauf der Elektronen- bzw. Lochdichte in der y-Richtung noch
von den Eigenschaften der Oberfläche des Eigenhalbleiters bei y = -E- b/2
und y = - b/2 (Fig. i bis 4) ab. Es ist hier noch nachzuholen, daß, wie auch
in Fig. i angedeutet ist, der Halbleiter i in der y-Richtung die Gesamtausdehnung
b hat, von der Mitte aus gerechnet die Ausdehnung b/2. So ist der Verlauf der Paardichte
bei vollständigem Fehlen jeglicher Volumen- und Oberflächenkombination durch den
in Fig. 3 dargestellten Dichteverlauf gegeben, mit der charakteristischen Eigenschaft,
daß der Mittelwert der Paardichte gleich der konstanten Gleichgewichtsdichte ni
ist. Ist eine von Null verschiedene Oberflächenrekombination vorhanden, jedoch die
Beschaffenheit der Oberfläche auf den gegenüberliegenden Seiten dieselbe, so erhalten
wir bei geringer Volumenrekombination den in Fig. 4 dargestellten Dichteverlauf.
In diesem Falle kann, wie sich aus dem Kurvenverlauf in Fig. 4 ergibt, auf der Rekombinationsseite
die maximale Dichte den Wert 1/2-n, nicht überschreiten, hingegen kann auf der Erzeugungsseite
der Wert n < ni werden. In diesem Fall wird, wie sich ebenfalls aus dem genannten
Kurvenverlauf ergibt, der Mittelwert n < ns, und die Bildung einer magnetischen
Sperrschicht ist mit einer Widerstandserhöhung des Halbleiters, auch in Richtung
des elektrischen Primärstromes, verbunden. Eine sehr große Oberflächenrekombination
würde auch bei vollständigem Fehlen einer Volumenrekombination die Ausbildung einer
magnetischen Sperrschicht verhindern. Da nämlich im thermischen Gleichgewicht die
Rekombination gleich der thermischen Erzeugung ist, würde eine Oberfläche mit großer
Oberflächenrekombination in der Lage sein, auf der Verarmungsseite beliebig Elektron-Loch-Paare
nachzuliefern, und damit würde die Randdichte bei y = -E- b/2 praktisch wieder gleich
nE. Um die Obe?tlächenrekombination zu beeinflussen, wird gemäß weiterer Erfindung
die Oberfläche des Eigenhalbleiters einer Oberflächenbehandlung unterworfen, z.
B. dadurch, daß der Halbleiter als Anode in einem elektrolytischen Bade behandelt
wird.
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Eine elektrische Oberflächenbehandlung setzt im allgemeinen die Oberflächenrekombination
herab. Um jedoch zu erreichen, daß der Mittelwert der Elektron-Loch-Konzentration
in der y-Richtung wesentlich kleiner als der Gleichgewichtswert ni wird, ist es
zweckmäßig, auf der Verarmungsseite eine geringe Oberflächenrekombination, hingegen
auf der Anreicherungsseite eine starke Oberflächenrekombination zu haben. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß erstere eine Oberflächenbehandlung zur Herabsetzung
der Oberflächenrekombination, z. B. durch Elektrolyse erfährt, während letztere
eine Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der Oberflächenrekombination erfährt,
z. B. durch Schleifen und Polieren.
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Außer den eben genannten Einflüssen auf die Ausbildung einer magnetischen
Sperrschicht ist natürlich die spezielle Wahl des Eigenhalbleiters, z. B. des eigenhalbleitenden
Kristalls, von größter Bedeutung. Da die Größe der auf Elektronen bzw. Defektelektronen
ausgeübten magnetischen Kräfte proportional der Geschwindigkeit derselben ist, und
letztere bei vorgegebenem elektrischem Feld proportional der Beweglichkeit
der
Elektronen bzw. Defektelektronen ist, empfiehlt es sich, zur Erzielung der Effekte
magnetischer Sperrschichten Eigenhalbleiter mit großer Elektronen- bzw. Defektelektronenbeweglichkeit
zu verwenden. Erfindungsgemäß werden Kristalle mit homöopolarer Bindung ihrer Atome
mit Beweglichkeiten > ioo -
verwendet, z.B. die Elemente Si, Ge, graues Sn oder die Verbindungen In Sb, Ga Sb,
A1 Sb, In As usw. Bei Germanium mit einer Elektronenbeweglichkeit von etwa 3000
wird bei einem Magnetfeld von - io ooo Gauß das Verhältnis von magnetischer Kraft
auf die Elektronen zu elektrischer Kraft auf die Elektronen gleich ;00o .
1o 000 # 1o-8 = 0,3.
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Die beschriebene Anordnung kann in der verschiedensten Weise zur Steuerung,
Regelung, Gleichrichtung usw. benutzt werden. Um die gewünschten Wirkungen herbeizuführen,
gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. Eine dieser Möglichkeiten besteht darin,
daß die Dicke der magnetischen Sperrschicht durch Änderung der magnetischen Feldstärke
des auf den Halbleiterkörper wirkenden magnetischen Feldes geändert wird. Eine Anordnung
dieser Art ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 veranschaulicht.
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In Fig. 5 ist bei io der Halbleiterkörper, insbesondere ein elektronischer
Eigenhalbleiterkörper, vorzugsweise in Gestalt eines Einkristalls dargestellt. Er
befindet sich zwischen den Polen eines Elektromagneten ii, dessen Wicklung mit 12
bezeichnet ist. Diese Wicklung wird, wie bei 13 schematisch angedeutet ist,
aus einem Steuer- oder Regelgerät oder einer Schaltung od. dgl. mit einem veränderlichen
Strom gespeist. Das Gerät oder die Schaltung 13 ist in dem Schema nach Fig. 5 eingangsseitig
an eine Wechselstromquelle 14 angeschlossen.
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Entsprechend den Schwankungen des Stromes in der Erregerwicklung 12
soll ein zweiter Kreis gesteuert werden. Dieser zweite Kreis umfaßt eine Gleichstromquelle
15, einen Außenwiderstand oder Verbraucher 16 und den schon genannten Halbleiterkörper
io, der an seinen beiden Stirnflächen mit je einer Elektrode 17 bzw. 18 versehen
ist und über diese Elektroden in den genannten zweiten Kreis gelegt ist.
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Wie man sieht, kann die Anordnung nach Fig. 5 als Verstärker benutzt
werden; denn es besteht die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl der Abmessungen
und der physikalischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers io zu erreichen, daß
die Schwankungen der Steuerleistung des ersten Kreises im zweiten Kreis verstärkt
wiedergegeben werden.
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Die physikalischen Vorgänge in der Anordnung nach Fig. 5 sind auf
Grund der obigen Ausführungen leicht zu übersehen. Mit den Änderungen der Feldstärke
des Magneten ii verschiebt sich die Zonengrenze zwischen dem Verarmungsbereich und
dem Überschußbereich (Fig. i). Entsprechend ändert sich der Widerstand, der durch
den Halbleiterkörper io gebildet wird.
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Die neue Anordnung kann auch, wie schon erwähnt, als Gleichrichter
benutzt werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 6 gezeigt. Bei der Anordnung
nach Fig. 6 ist mit 2o der Halbleiterkörper bezeichnet. Er besitzt an seinen beiden
Stirnenden je eine Elektrode 21 bzw. 22. Der Halbleiterkörper 2o befindet sich im
Feld eines Magneten 23. Dieser Magnet kann ein Dauermagnet sein oder auch, wie in
der Zeichnung dargestellt, ein Elektromagnet, dessen Erregerwicklung 24 an eine
Gleichspannungsquelle 25 konstanter Spannung angeschlossen. sein kann.
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Der gleichzurichtende Wechselstrom wird einer Wechselstromquelle 26
entnommen und über die Elektroden 21 und 22 dem Halbleiterkörper 2o zugeführt. In
diesem Kreis ist bei 27 schematisch der Gleichstromverbraucher angedeutet.
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Die Anordnung nach Fig. 6 wirkt als Gleichrichter in der Weise, daß
die Halbwellen der einen Polarität durchgelassen und daß bei den Halbwellen der
anderen Polarität der Stromkreis durch den Halbleiterkörper 2o gesperrt wird. Die
physikalische Wirkungsweise ist aus den obigen Ausführungen zu entnehmen. Es sei
hier kurz noch folgendes ausgeführt. Die Feldstärke des magnetischen Feldes, in
dem sich der Halbleiterkörper 2o befindet, sei konstant. Ferner ist vorausgesetzt,
daß der Halbleiterkörper 2o auf seinen beiden Oberflächen, die zum Magnetfeld und
zum Strom parallel sind - in der Darstellung nach Fig. 6 liegen diese beiden Flächen
parallel zur Zeichenebene -, eine verschiedenartige Oberflächenbehandlung erfahren
hat. Zum Beispiel ist die eine der beiden Flächen im Sinne der Herabsetzung der
Oberflächenrekombination behandelt, etwa durch elektrolytische anodische Behandlung,
und es ist die andere dieser beiden Oberflächen im Sinne der Heraufsetzung der Oberflächenrekombination
behandelt, z. B. durch Schleifen und Polieren. Infolgedessen ist der Halbleiterkörper
2o, bezogen auf seine Mittelebene, die parallel zu den beiden vorgenannten Flächen
verläuft, elektrisch nicht symmetrisch. Wird dieser Halbleiterkörper über die Elektroden
21 und 22 an eine Wechselspannung gelegt, so kann sich nur auf der Seite verminderter
Oberfiächenrekombination eine magnetische Sperrschicht ausbilden, nicht aber auf
der anderen Seite. Das bedeutet, daß von der angelegten Wechselspannung nur die
Halbwellen der einen Polarität zur Bildung der magnetischen Sperrschicht führen,
nicht aber die Halbwellen der anderen Polarität. Infolgedessen werden die Halbwellen
der ersten Polarität gesperrt, die Halbwellen der anderen Polarität aber durchgelassen.
Durch entsprechende Wahl derAbmessungen und der physikalischen Eigenschaften des
Halbleiterkörpers 2o kann erreicht werden, daß der unerwünschte Rückstrom klein
bleibt. Verwendet man zur Erzeugung des magnetischen Feldes einen Elektromagneten,
wie das in Fig. 6 gezeigt ist, so kann der Gleichstrom für die Erregerspule 24 aus
dem Gleichstromkreis, der den Halbleiterkörper 2o enthält, entnommen werden.
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Statt eines im wesentlichen konstanten magnetischen Feldes kann bei
der Anordnung nach Fig. 6 auch ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld verwendet
werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 5 als Verstärker beruht,
wie oben beschrieben, darauf, daß
die Feldstärke des magnetischen
Feldes, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, geändert und dadurch wiederum
die Dicke der magnetischen Sperrschicht geändert wird.
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Der Aufbau eines Verstärkers mit Hilfe einer magnetischen Sperrschicht
ist aber auch dann möglich, wenn die Feldstärke des magnetischen Feldes konstant
gehalten wird. Es werden jedoch dann neben den schon erwähnten beiden Elektroden
noch eine dritte und gegebenenfalls noch weitere Elektroden vorgesehen. Eine solche
Anordnung, die drei Elektroden aufweist, ist in Fig. 7 dargestellt. Sie kann als
Verstärker benutzt werden. Der Halbleiterkörper ist hier mit 3o bezeichnet. Er besitzt
auf seinen beiden Stirnflächen je eine Elektrode 31 bzw. 32 und ferner auf der einen
Längsseite eine mit 33 bezeichnete Elektrode. Das magnetische Feld ist gestrichelt
bei 34 angedeutet. Seine Feldlinien verlaufen innerhalb des mit gestrichelten Linien
umrandeten Bereiches senkrecht zur Zeichenebene, wie auch durch die eingezeichneten
Kreise mit Punkten angedeutet wird. Die Feldstärke des magnetischen Feldes kann
konstant sein, sie wird z. B. durch einen Dauermagneten erzeugt. Der Steuerkreis
enthält die Wechselspannungsquelle 35 und das Steuergerät oder die Steuerschaltung
36, er ist über die Elektrode 31, den Halbleiterkörper 30 und die Elektrode
32 geschlossen. Das Steuergerät oder die Steuerschaltung 36 kann in der verschiedenartigsten
Weise aufgebaut sein, sein Aufbau gehört nicht zur Erfindung. Es liefert ausgangsseitig
eine veränderliche Spannung, mit der der nachstehend beschriebene zweite Kreis gesteuert
wird. Dieser zweite Kreis enthält eine Gleichstromquelle 37 und einen Verbraucher
38, der Kreis ist über die Elektrode 31 und die Elektrode 33 geschlossen.
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Die Schwankungen der Steuerspannung im ersten Kreis werden in entsprechende
Schwankungen des Stromes im zweiten Kreis verstärkt umgesetzt. Durch entsprechende
Wahl der Abmessungen und der physikalischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers
3o kann, erreicht werden, daß das Verstärkungsverhältnis weit über i liegt; es besteht
naturgemäß auch die Möglichkeit, das Verstärkungsverhältnis, das dann besser als
Regelverhältnis bezeichnet wild, gleich i oder kleiner als i zu wählen.
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Die physikalische Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 7 ist folgende:
Ein konstantes Magnetfeld ruft an sich, wie zu Fig. i näher beschrieben ist, eine
bestimmte Dicke der magnetischen Sperrschicht hervor. Wie schon ausgeführt ist,
ist die magnetische Sperrschicht, die sich im Halbleiterkörper bildet, davon abhängig,
daß ein magnetisches Feld auf den Halbleiterkörper einwirkt und daß dieser ferner
in der Längsrichtung an einer elektrischen Spannung liegt. Die Dicke der Sperrschicht
ist abhängig von der magnetischen Feldstärke und von der elektrischen Feldstärke.
Wenn man also, wie hier angenommen, die magnetische Feldstärke konstant hält, so
kann man doch die magnetische Sperrschicht in ihrer Dicke dadurch ändern, daß die
angelegte elektrische Spannung geändert wird. Hieraus folgt also, daß entsprechend
den Schwankungen der über den ersten Kreis an den Halbleiterkörper 30 gelegten
Spannung die Dicke der magnetischen Sperrschicht in dem Halbleiterkörper
30 sich -ändert. Von der Dicke der magnetischen Sperrschicht ist aber
wieder abhängig der Widerstand, den der Halbleiterkörper 30 zwischen den
Elektroden 31 und 33 dem zweiten Stromkreis bietet. Hieraus folgt, daß die Änderungen
der Steuerspannung des ersten Kreises sich in entsprechende Stromänderungen des
zweiten Kreises umsetzen.
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In Fig. 7 ist die Grenze der magnetischen Sperrschicht durch die gestrichelte
Linie Sod 'angedeutet. Man sieht, daß die Elektrode 33 nicht zu lang bemessen werden
darf, damit sie nicht den Halbleiter kurzschließt.
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Vergleicht man die Anordnungen nach Fig. 5 und 7 miteinander, so sieht
man, daß bei der Anordnung nach Fig. 5 die angestrebte Wirkung durch Änderung der
magnetischen Feldstärke, bei der Anordnung nach Fig. 7 jedoch durch Änderung der
elektrischen Feldstärke erzielt wird. Man kann beide Anordnungen miteinander kombinieren,
also eine Anordnung schaffen, bei der die magnetische Feldstärke und die elektrische
Feldstärke geändert werden, um auf diese Weise die Dicke der magnetischen Sperrschicht
zu ändern und damit die gewünschten Wirkungen hervorzurufen. Im einfachsten Falle
kann eine solche kombinierte Anordnung in der Weise aufgebaut werden, daß bei der
Anordnung nach Fig. 7 statt eines konstanten Magneten ein Elektromagnet, entsprechend
der Fig. 5, benutzt wird. Eine solche Anordnung bietet die Möglichkeit, zwei Steuergrößen
auf die Anordnung wirken zu lassen oder, mit anderen Worten, den zu steuernden Kreis
in Abhängigkeit von zwei Steuerkreisen, die ihrerseits voneinander unabhängig sein
können, zu steuern.
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Statt, wie in Fig. 7 gezeigt, drei Elektroden anzubringen, können
auch mehr als drei Elektroden an dem Gleichrichterkörper 3o .angebracht werden,
so daß z. B. auch die Zahl der gesteuerten Kreise größer als = sein kann.
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Aus den vorstehenden Ausführungen wird auch eine Erscheinung verständlich,
die bei der Anordnung nach Fig. 5 auftritt. Bei dieser Anordnung wird an sich der
zu steuernde Kreis dadurch gesteuert, daß die Feldstärke des magnetischen Feldes
geändert wird. Die hierdurch hervorgerufenen Änderungen des Stromes im zweiten,
über den Verbraucher 16 laufenden Kreis wirken jedoch im gleichen Sinne wie die
Änderung des magnetischen Feldes, d. h., durch die Stromänderung des zweiten Kreises
werden die Änderungen der magnetischen Sperrschicht verstärkt, es tritt eine Art
Rückkopplung ein, genauer gesagt, eine Art Zwischenrückkopplung.
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Das magnetische Feld, das zum Aufbau der magnetischen Sperrschicht
erforderlich ist, kann schließlich auch durch den Strom, der durch den Halbleiterkörper
fließt, erzeugt werden. Zur näheren Erläuterung sei auf Fig. 8 Bezug genommen, in
der bei 40 ein zylindrischer Halbleiterkörper, insbesondere ein elektronischer Eigenhalbleiter,
vorzugsweise in Gestalt eines Einkristalls, dargestellt ist. Er besitzt an seinen
beiden Stirnflächen scheibenförmige Elektroden 41 und 42. Bei 43 und 44 sind die
beiden Anschlußdrähte dargestellt. Der Strom, der über die beiden Anschlußdrähte
43
und 4d zugeführt wird, erzeugt ein den Strompfad ringförmig umgebendes magnetisches
Feld. Dieses magnetische Feld entsteht auch im Bereich des Halbleiterkörpers q0,
und zwar innerhalb des Halbleiterkörpers 40 und außerhalb desselben. Die Folge ist,
daß sich eine zylindrische magnetische Sperrschicht im Halbleiterkörper q.o ausbildet,
und zwar in der Oberflächenzone.
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Die Anordnung nach Fig. 8 kann zu gleichen oder ähnlichen Zwecken
benutzt werden, wie sie oben angegeben sind. Hierbei ist jedoch wegen der geringen
Stärke des magnetischen Feldes eine extrem kleine Oberflächenrekombination und Volumenrekombination
anzustreben.