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Halbleitersystem mit nichtlinearer Strom-Sp annungs-Charakteristik
Zusatz zunt Patent 949 246
Gegenstana der Erfindung ist ein Halbleitersystem mit
nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik, das aus einem kristallinen Halbleiter,
insbesondere einem elektronischen Eigenhalbleiter, besteht und eine magnetische
Sperrschicht aufweist, d. h. eine an Elektron-Loch-Paaren verarmte Zone, die durch
ein elektrisches Feld und durch ein vorzugsweise senkrecht zum elektrischen Feld
stehendes, magnetisches Feld hervorgerufen und durch beide Felder steuerbar ist.
Ausgehend von der bei der Anmelderin gefundenen Strahlungsempfindlichkeit der magnetischen
Sperrschicht besteht die Erfindung darin, daß eine Strahlungsquelle, insbesondere
mit einer elektromagnetischen oder korpuskularen Strahlung vorgesehen ist, die die
magnetische Sperrschicht zusätzlich steuert. Dies bedeutet, daß zur Beeinflussung
des steuerbaren Widerstandes drei Einflußgrößen zur Verfügung stehen, das äußere
elektrische Feld, das magnetische Feld und die Strahlung. Im Rahmen der Erfindung
können alle drei oder nur zwei oder kann nur eine Einflußgröße zur Durchführung
der Steuerung geändert oder in sonstiger Weise benutzt werden.
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Bevor die Strahlungsempflndlichkeit der magnetischen Sperrschicht
hinsichtlich ihres physikalischen Mechanismus und hinsichtlich ihrer Anwendungen
im einzelnen beschrieben wird, sei zunächst noch die Erscheinung der magnetischen
Sperrschicht näher erläutert.
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Es ist schon erwähnt, daß beim neuen steuerbaren Widerstand insbesondere
ein elektronischer Eigenhalbleiter verwendet wird. Darunter wird ein Halbleiter
verstanden, bei dem die Elektronenkonzentration und die Defektelektronenkonzentra-
tion
im thermischen Gleichgewicht größenordnungsmäßig einander gleich sind. Die Begriffe
Elektronenkonzentration und Defektelektronenkonzentration bedeuten die Anzahl der
Elektronen bzw. der Defektelektronen, die sich in der zugrunde gelegten Raumeinheit
der betrachteten Halbleiterstelle befinden. Wenn gesagt ist, die Elektronenkonzentration
und die Defektelektronenkonzentration seien im thermischen Gleichgewicht größenordnungsmäßig
einander gleich, so soll das zahlenmäßig so festgelegt werden, daß die Elektronenkonzentration
höchstens zehnmal so groß wie die Defektelektronenkonzentration sein soll, oder
umgekehrt.
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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.
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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. I ein elektronischer Eigenhalbleiter I (in der X-Richtung)
von einem Strom durchflossen und senkrecht dazu (in der Z-Richtung) einem Magnetfeld
2 ausgesetzt, 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
I eine Verarmung an Elektronen und an Defektelektronen statt, auf der anderen Seite
hingegen eine Anreicherung. Dies ist in der Zeichnung dadurch angedeutet, daß die
schräg verlaufenden Bahnen im einen Seitenbereich (Anreicherungsseite) stärker ausgezogen
sind als im anderen Seitenbereich (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 (Hallfeld) führen, so daß der Anhäufungseffekt
sehr bald zum Stillstand kommt.
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Anders jedoch bei einem Eigenhalbleiter. Da hier gleichzeitig Elektronen
und Defektelektronen oder, in anderer Bezeichnung, »Löcher« auf die gleiche Seite
des Halbleiters transportiert werden, ist ein Anreicherungseffekt möglich, ohne
daß hierbei eine nennenswerte Raumladung entsteht. Die Anhäufung von Elektron-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 Gleichgewichts-Elektronenkonzentration 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 > ni2J auf der Verarmungsseite np < t2, während im Gleichgewichtnp = nlz
sein müßte. Ferner muß wegen der elektrischen Neutralität n ~ 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, welche gleichzeitig
sowohl Elektronenals auch Defektelektronenleitung zeigen (z. B. die Ubergangsmetalle,
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, wo es infolge der halbleitenden Eigenschaft
(d. h. schlecht leitend 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 10 Volt/cm, welches in derartigem Germanium
leicht realisierbar ist, und senkrecht zu einem dazu senkrecht stehenden Magnetfeld
von I0000 Gauß einen Weg von 10 cm zurücklegen kann, bevor es rekombiniert.
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Sehen wir vorläufig von der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren von
seiten der Eigenhalbleiteroberfläche auf der Verarmungsseite ab, so erkennen wir,
daß die Dicke der Verarmungsschicht ihrerseits dadurch definiert, daß in ihr die
Paarkonzentration < n ist - mit Leichtigkeit I bis IO cm betragen kann. Diese
Werte von I bis 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
charakteristischeelektrische Neutralität besitzt, im Gegensatz zu den durch elektrische
Raumladung gekennzeichneten Schottkyschen Sperrschichten. Ihr Vorteil gegenüber
den Schottkyschen Sperrschichten einerseits und den
Shockleyschen
Diffusionsschichten andererseits ist die verhältnismäßig ungeheure 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
bzw. auf die im Transistor maximal zulässigen Ströme.
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In Fig. 2 ist der Verlauf der Elektronen- bzw.
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Löcherdichte in der y-Richtung senkrecht zum Primärstrom (Richtung
x in Fig. I) dargestellt.
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Die Dicke der an Elektron-Loch-Paaren verarmten Schicht ist die magnetische
Sperrschichtdicke flmagn.
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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.
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Weiterhin hängt der Verlauf der Elektronen-bzw. Lochdichte in der
y-Richtung noch von den Eigenschaften der Oberfläche des Eigenhalbleiters bei y
= + b/2 und y = - b/2 (Fig. I bis 3) 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. 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. 3 dargestellten Dichteverlauf. In diesem Fall kann auf der Anreicherungsseite
die maximale Dichte den Wert 1/2 ni nicht überschreiten, hingegen kann auf der Verarmungsseite
der Wert n < ni werden.
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In diesem Fall wird der Mittelwert n < n, 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= + bl2 praktisch wieder gleich
ni. Um die Oberflächenrekombination zu beeinflussen, wird gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung laut Hauptpatent die Oberfläche des Eigenhalbleiters einer Oberflächenbehandlung
unterzogen, z. B. dadurch, daß der Halbleiter als Anode in einem elektrolytischen
Bad behandelt wird.
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Um 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.
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Defektelektronen ausgeübten magnetischen Kräfte proportional der Geschwindigkeit
derselben ist, und letztere bei vorgegebenem elektrischem Feld proportional der
Beweglichkeit der Elektronen bzw.
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Defektelektronen ist, empfiehlt es sich, zur Erzielung der Effekte
magnetischer Sperrschichten Eigenhalbleiter mit großer Elektronen- bzw. Defektelektronenbeweglichkeit
zu verwenden. Erfindungsgemäß werden homöopolare Kristalle mit Beweglichkeiten r
100 cm2/Volt sec verwendet, z. B. die Elemente Si, r, grales Sn oder die Verbindungen
vom Typus AIIIBv, wie InSb, GaSb, AlSb, InAs usw. Bei Germanium mit einer Elektronenbeweglichkeit
von etwa 3000 cm2/Volt sec wird bei einem Magnetfeld von I0000 Gauß das Verhältnis
von magnetischer Kraft auf die Elektronen zu elektrischer Kraft auf die Elektronen
gleich 3000 10000 . IO-8 = 0,3. Bei InSb mit einer Elektronenbeweglichkeit von 6o
000 cm2/Volt sec wird dieses Verhältnis = 6.
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Die Strahlungsempfindlichkeit der magnetischen Sperrschicht beruht
darauf, daß unter der Wirkung der Strahlung unmittelbar oder mittelbarElektron-Loch-Paare
erzeugt werden und dadurch die Elektron-Loch-Paardichte in der magnetischen Sperrschicht
erhöht wird, so daß die magnetische Sperrschicht teilweise oder auch ganz aufgehoben
wird.
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Dies macht sich elektrisch durch eine Vergrößerung des spezifischen
Leitwertes in der Sperrschicht und mittelbar in der Vergrößerung des Leitwertes
des Gesamthalbleiters bemerkbar. Die Vergrößerung des spezifischen Leitwertes ist
vergleichbar dem bereits bekannten inneren Fotoeffekt. Die Anordnung gemäß der Erfindung
hat jedoch den grundsätzlichen Vorteil großer geometrischer Abmessungen der magnetischen
Sperrschicht, mit der Folge, daß sie mit großen Spannungen bzw. großen Strömen betrieben
werden kann. Da der magnetische Sperrschichteffekt in der Herabsetzung der Elektronen-
und Defektelektronenkonzentration gegenüber der Normalkonzentration t in einem großen
Raumgebiet des Halbleiterkristalls besteht, ist ferner der Dunkelstrom wesentlich
schwächer als beim gewöhnlichen inneren Fotoeffekt.
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Handelt es sich um eine Strahlung mit großem Durchdringungsvermögen,
mit anderen Worten, mit großer Reichweite, so erfolgt die Erzeugung
von
Elektron-Loch-Paaren in der gesamten Dickenausdehnung der magnetischen Sperrschicht.
Da diese Dickenausdehnung von makroskopischer Größenordnung ist - bei Germanium,
wie vorher erwähnt, z. B. I bis 10 cm-, ist es möglich, mit Hilfe des neuen Strahlungseffektes
auch Strahlungen nachzuweisen, welche in festen Körpern nur schwach absorbiert werden,
z. B. harte Rv tgenstrahlung, Gammastrahlung, sehr schnelle Korpuskularstrahlung
oder Neutronenstrahlung.
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Aber auch dann, wenn es sich um eine Strahlung mit starker Absorption,
also kurzer Reichweite im Kristall handelt, z. B. um Lichtstrahlung, weiche Röntgenstrahlung,
nicht zu schnelle Korpuskularstrahlung usw., ist der magnetische Sperrschichteffekt
dem gewöhnlichen inneren Fotoeffekt überlegen. In diesem Falle ist die Anordnung
so zu treffen, daß die Strahlung auf die Oberfläche des Kristalls fällt, welche
infolge ihrer schwachen Oberflächenrekombination für das Zustandekommen der magnetischen
Sperrschicht verantwortlich ist.
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Fällt, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, die Strahlung auf eine
derartige Oberfläche, so wird sie praktisch in dieser Oberfläche unter Erzeugung
von Elektron-Loch-Paaren absorbiert. Dabei wird eine der Intensität der Strahlung
entsprechende zusätzliche Anzahl von Elektron-Loch-Paaren pro cm2 und pro Sekunde
frei und die Randdichte auf den in der Figur angegebenen Wert vergrößert.
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Die vergrößerte Randdichte macht sich längs der gesamten Dickenausdehnung
der magnetischen Sperrschicht als Erhöhung der Paarkonzentration bemerkbar. Der
magnetische Sperrschichteffekt ermöglicht es also, mit Hilfe von in einer Oberflächenschicht
erzeugten Elektron-Loch-Paaren ein tiefes Gebiet des Halbleiterkristalls auszusteuern.
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Dies führt naturgemäß zu einer besonders großen Verstärkung, d. h.
zu einem großen Verhältnis von verfügbarer elektrischer Ausgangsleistung zu einfallender
Strahlungsleistung.
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Die grundsätzlichen Absorptionsverhältnisse für elektromagnetische
Strahlung sind in Fig. 7 in einer in dieser Zusammenfassung bisher nicht veröffentlichten
Darstellung gezeigt, und zwar über einen über viele Zehnerpotenzen ausgedehnten
Wellenbereich.
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In der Fig. 7 ist als Abszisse in einem logarithmischen Maßstab die
Wellenlänge 2 aufgetragen.
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Der Gesamtbereich umfaßt die Wellenlängen von 5 . Ioq Ä bis 5011;
unter u wird hier o,ooI mm verstanden. Als Ordinate ist, ebenfalls im logarithmischen
Maßstab, die Eindringtiefe, d. h. der Abfall der Intensität auf I aufgetragen; e
ist die Basis der natürlichen Logarithmen. In Fig. 7 sind in zwei Kurvenzügen die
Absorptionsverhältnisse für Germanium und für Indiumantimonid dargestellt. Die Zuordnung
ergibt sich aus den in Fig. 7 eingetragenen chemischen Symbolen Ge und InSb.
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Die gewählten Stoffe Germanium und Indiumantimonid sind nur als Beispiele
aus dem großen Gebiet der hier in Betracht kommenden Halbleiter gewählt.
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Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, ist im Bereich der sichtbaren Strahlung
die Eindringtiefe klein und demgemäß die Absorption sehr stark. Die Eindringtiefe
ist z. B. bei Germanium kleiner als io-5 cm.
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Wie schon vorher erörtert wurde, kann also sichtbare Strahlung mit
Hilfe des magnetischen Sperrschicht-Fotoeffektes infolge der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
in einer dünnen Oberflächenschicht besonders starke elektrische Wirkungen hervorrufen.
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Geht man vom Bereich der sichtbaren Strahlung nach links, also zu
kleineren Wellenlängen über, sc wächst die Eindringtiefe, die Absorption nimmt ab.
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Die Eindringtiefe erreicht bei Gammastrahlen der Größenordnung nach
Werte von etwa 10 cm. Trotz der großen Eindringtiefe von kurzwelliger Strahlung
tritt innerhalb der magnetischen Sperrschicht eine hinreichende Absorption ein,
da die magnetische Sperrschicht im Gegensatz zu den bisher verwendeten Sperrschichten,
z. B. p-n-Ubergängen u. dgl., die vorher angegebenen makroskopischen Abmessungen
hat. Die Dicke der magnetischen Sperrschicht, die naturgemäß auch weniger als I
cm, z. B. nur I mm, betragen kann, läßt sich durch entsprechende Wahl des äußeren
elektrischen Feldes und des Magnetfeldes den jeweils gewünschten Verhältnissen anpassen.
Die Absorption von kurzwelliger Strahlung in der magnetischen Sperrschicht führt
im Endergebnis wieder zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren und ergibt damit die
gleiche Wirkung wie sichtbare Strahlung.
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Der physikalische Mechanismus bei der kurzwelligen Strahlung läßt
sich summarisch folgendermaßen deuten: Durch die Absorption der Strahlung werden
jeweils im Endergebnis,Ladungsträger frei gemacht. Im Bereich der weichen und mittleren
Röntgenstrahlung handelt es sich dabei im wesentlichen um Fotoelektronen, welche
aus den inneren Schalen (z. B. der K- oder L-Schale) der den Halbleiter aufbauenden
Atome herausgeschlagen werden und dem Leitungsband zur Verfügung stehen.
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Durch das hiermit verknüpfteAuffüllen der inneren Schalen werden letzten
Endes Defektelektronen im Leitfähigkeitsband erzeugt, mit der Folge, daß mittelbar
durch die Strahlung Elektron-Loch-Paare entstehen mit den schon erwähnten elektrischen
Wirkungen.
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Bei noch kürzerer Wellenlänge, d. h. bei harter Röntgenstrahlung,
setzt die Erzeugung von Leitungselektronen durch den Compton-Effekt ein und bei
noch härterer Strahlung (y-Strahlung) die Erzeugung von Elektronen - Positronen
- Paaren.
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Auch diese Prozesse führen mittelbar zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
und bringen dadurch die Strahlungen elektrisch zur Wirkung innerhalb der magnetischen
Sperrschicht.
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Wie aus obigem hervorgeht, lassen sich zur Steuerung der magnetischen
Sperrschicht Strahlungen der verschiedensten Wellenlänge verwenden.
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Der Ausdruck »Steuerung« ist im allgemeinen Sinne zu verstehen, er
erfaßt unter anderem Beeinflussung, Gleichrichtung, Begrenzung, Aus- und Einschalten,
Messung und Anzeige usw. So ist
z. B. bereits im Hauptpatent dargelegt
worden, wie eine magnetische Sperrschicht zur Herstellung eines Gleichrichters verwendet
werden kann. Da es möglich ist, den magnetischen Sperrschichteffekt durch Bestrahlungen
aufzuheben, kann auch der durch eine magnetische Sperrschicht hervorgerufene Gleichrichtereffekt
durch Bestrahlung aufgehoben -werden. Es ist also möglich, einen magnetischen Sperrschichtgleichrichter
durch Bestrahlung in einen ohmschen Widerstand umzuwandeln.
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Wird die neue Anordnung zur Messung der Strahlung benutzt, so ist
darunter sowohl der Fall zu verstehen, daß die Strahlung nur qualitativ nachgewiesen
oder auch quantitativ gemessen wird, z. B. hinsichtlich ihrer Intensität oder hinsichtlich
der Energie oder der Zählung der einzelnen Strahlungsquanten. Die neue Anordnung
hat hierbei den Vorteil der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit.
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Aus der gegebenen Deutung des physikalischen Mechanismus läßt sich
ferner der Schluß ziehen, daß es sich empfiehlt, gegebenenfalls bei Strahlungen
bestimmter Wellenlängen auch bestimmte Halbleiter zu benutzen, also eine Anpassung
vorzunehmen.
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Um die charakteristische Strahlung eines Stoffes nachzuweisen, ist
es günstig, einen Halbleiter zu benutzen, von dem - mindestens hinsichtlich einer
Verbindungskomponente - die Röntgen-Absorptionskante bei etwas größeren Wellenlängen
liegt als die der nachzuweisenden charakteristischen Strahlung. Handelt es sich
z. B. darum, die Kupfer-Ka-Strahlung (2,= I,54Å) nachzuweisen, so empfiehlt es sich,
hierfür als Halbleiter ein Fes,-Kristall zu verwenden, denn die Röntgen-Absorptionskante
von Fe liegt bei I,74Ä. In dem an das sichtbare Gebiet nach längeren Wellen hin
anschließenden Ultrarotbereich herrschen bezüglich der Eindringtiefe dieselben Verhältnisse
wie im sichtbaren Bereich, solange die Wellenlänge noch diesseits der Absorptionskante
liegt. Die Absorptionskante selbst liegt bei den verschiedenen Halbleitern bei verschiedenen
Wellenlängen, z. B. liegt sie bei Germanium bei etwa 2Wu, während sie bei Indiumantimonid
bei etwa 7,u liegt. Es ist nun allgemein bekannt, daß man zum Nachweis von Ultrarotstrahlung
Halbleiterkörper verwenden muß, deren Absorptionskante so weit im Ultraroten liegt,
daß die nachzuweisende Wellenlänge noch in den Bereich starker Absorption fällt.
Solche Halbleiterkörper haben immer den Nachteil, daß sie eine sehr große Eigenleitfähigkeit
besitzen, so daß der Dunkelstrom der mit ihrer Hilfe hergestellten Fotozellen sehr
groß ist. Dadurch wird die Verwendung von Halbleiterkörpern mit besonders weit im
Ultrarot liegender Absorptionskante. eingeschränkt. Da durch den magnetischen Sperrschichteffekt
jedoch die Elektron-Loch-Paar-Konzentration stark herabgesetzt wird, ist es möglich,
auch bei weit im Ultrarot liegender Absorptionskante einen kleinen Dunkelstrom zu
erhalten. Damit kann der Wellenlängenbereich für Ultrarotempfänger weiter ins Ultrarote
verschoben werden. Als Halbleiter für diese Zwecke kommt z. B. Indiumantimonid in
Betracht, dessen Absorptionskante bei 7,u liegt. Im allgemeinen würde Indiumantimonid
wegen seines zu großen Dunkelstromes nicht verwendbar sein. Im Rahmen der Erfindung
jedoch, bei der es sich darum handelt, in dem verwendeten Halbleiterkörper eine
magnetische Sperrschicht zu erzeugen und durch Strahlung, im Beispiel durch Ultrarotstrahlung,
zu beeinflussen, ergibt Indiumantimonid einen hervorragenden Empfänger für Ultrarotstrahlung.
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An Stelle der elektromagnetischen Strahlung kann auch eine Korpuskularstrahlung,
z. B. eine a- oder ß-Strahlung (Elektronenstrahlung) verwendet werden. Im allgemeinen
erfolgt die Veränderung der elektrischen Eigenschaften bei geringeren Energien durch
die von diesen ausgelösten Ionisationsprozesse.
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Dasselbe trifft auch zu, wenn die Korpuskularstrahlung eine Neutronenstrahlung
ist. Im Gegensatz zu den vorgenannten Strahlungen ruft letztere in der Elektronenhülle
keinerlei Prozesse hervor.
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Wenn aber die Neutronenstrahlung Kernprozesse auslöst, welche ihrerseits
zur Emission, z. B. von Gammaquanten, Betastrahlen usw., führen, erzeugen diese
wiederum Leitungselektronen, so daß die Neutronenstrahlung dadurch nachgewiesen
werden kann. Die Vorteile, welche sich im Falle der Korpuskularstrahlung durch Verwendung
magnetischer Sperrschichten bieten, sind der Art nach dieselben wie bei der elektromagnetischen
Strahlung.
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In den Fig. 4 bis 6 ist schematisch die Änderung der magnetischen
Sperrschicht unter dem Einfluß einer Strahlung veranschaulicht. Sie zeigen den Dichteverlauf
der Elektron-Loch-Paare innerhalb des Halbleiterkristalls, so daß durch den Linienzug
n, p der Dichteverlauf in der magnetischen Sperrschicht dargestellt wird. Fig. 4
veranschaulicht den idealisierten Fall, daß die einfallende Strahlung von der magnetischen
Sperrschicht überhaupt nicht absorbiert wird, Fig. 5 die oben beschriebene Erscheinung,
daß die Eindringtiefe der Strahlung etwa gleich ist der Dickenabmessung der magnetischen
Sperrschicht. In diesem Fall wird b unter Erhaltung der Randdichte bei y = + odie
2 magnetische Sperrschichtdicke verkleinert und dadurch der elektrische Leitwert
des Kristalls vergrößert. Fig. 6 veranschaulicht schließlich den Fall geringer Eindringtiefe
bzw. starker Absorption der auf den Halbleiter fallenden Strahlung mit dem Ergebnis,
daß unter Beibehaltung der magnetischen Sperrschichtdicke wie in Fig. 4 die Randdichte
bei = 2 erhöht wird. Auch dies hat eine Vergrößerung des elektrischen Leitwertes
des Halbleiterkristalls zur Folge.
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In den Fig. 8 bis 10 werden drei Anwendungsmöglichkeiten schematisch
dargestellt. Fig. 8 zeigt im Prinzip eine Strahlungsanordnung für einen Gleichstrommotor.
Durch Bestrahlung der an Elektron-Loch-Paaren verarmten Seiten der Kristalle,
wird
je nach der Intensität des Lichtes die Gleichrichtung mehr oder weniger aufgehoben
und somit die Geschwindigkeit des Motors gesteuert. Die Prinzipschaltung einer magnetischen
Sperrschicht als Fotozelle zeigt Fig. 9. Die Probe ist in Sperrrichtung gepolt.
Schließlich wird in Fig. 10 eine Prinzipschaltung einer magnetischen Sperrschicht
als Zähler veranschaulicht. Die Anordnung, bestehend aus Röhre und den Widerständen,
entspricht der bei Zählerschaltungen üblichen Verstärkeranordnung.
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Versuche haben in Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen
ergeben, daß der magnetische Sperrschichteffekt viel weniger temperaturabhängig
ist als der p-n-Sperrschichteffekt. Dies äußert sich z. B. darin, daß bei Germanium
bei einer Temperatur von 600 C der magnetische Sperrschichteffekt noch sehr gut
ausgebildet ist, während der p-n-Sperrschichteffekt bereits wesentlich schlechter
ist als bei Zimmertemperatur. Dies ist für die praktischen Anwendungen von großer
Bedeutung.