DES0023930MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 12. Juli 1951 Bekanntgemacht am 15. März 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die technische Verwendung von Widerständen aus festen Körpern, welche nicht dem Ohmschen Gesetz genügen, ist seit langem bekannt.

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~⁶ bis io^⁴cm 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"~⁸ bis iO""⁶Amp.), 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

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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 and Holes in Semiconductors«, New York, 1950, S. 314, Gleichung 18) die durch die Elektronen- und Defektelektronendiffusion bedingte Linearabmessung L = }/d τ, (D = Diffusionskonstante, τ = Lebensdauer eines Elektron-Loch-Paares), welche für Germanium io~³ bis IO"¹ cm betragen kann. Wegen dieser großen Schichtdicke wird

ifl die relativ große Spannungsfestigkeit ,der Germaniumdetektoren und der Germanium^Lp-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 ι und 100 mA zu steuern.

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.

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 Oberfiächenzone, 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.

Der Ausdruck »Steuerung« ist im allgemeinsten Sinne zu verstehen, er erfaßt unter anderem Beeinflussung, Gleichrichtung, Begrenzung, Aus- und Einschalten usw.

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 iomal 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 Defektelektronen- ■-konzentration gleich sind oder sich nur wenig unterscheiden (etwa unreine Zehnerpotenz), werden für die Zwecke der Erfindung bevorzugt.

Zur weiteren Erläuterung sei auf die Zeichnung Bezug genommen.

Wird gemäß Fig. 1 ein elektronischer Eigenhalbleiter 1 in der X-Richtung von einem Strom 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 1 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, 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 (Hallfeld) 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.

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 n_{, die tatsächliche Elektronenkonzentration mit n, die Defektelektronenkonzentration mit p, so gilt auf der Anreicherungsseite np > n_{ ², auf der Verarmungsseite np < nf, während im Gleichgewicht np = n? sein müßte. Ferner muß wegen der elektrischen Neutralität η r=&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.

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

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ausgeübten magnetischen Kräfte so gering sind, daß die durch sie bewirkten Veränderungen der Elek- , tronen- 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

ίο Felder.

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 10 Volt/cm, welches in derartigem Germanium leicht realisierbar ist, und senkrecht zu einem dazu senkrecht stehenden Magnetfeld von 10 000 Gauß einen Weg von 10 cm zurücklegen kann, bevor es rekombiniert.

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 < η₍ ist — mit Leichtigkeit 1 bis 10 cm betragen kann. Diese Werte von 1 und 10 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 Shockleyschen 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.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Elektronen- bzw. Löcherdichte in der y- Richtung, d. h. senkrecht zur Richtung des Primärstromes in Fig. 1 und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes in Fig. 1 dargestellt. Die Dicke der an Elektrön-Loch-Paaren verarmten Schicht ist die magnetische Sperrschichtdicke ^_magn. 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 1 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 Eigenschäften der Oberfläche des Eigenhalbleiters bei y = -\- δ/2 und y = — 5/2 (Fig. 1 bis 4). ab. Es ist hier noch nachzuholen, daß, wie auch in Fig. 1 angedeutet ist, der Halbleiter 1 in der y-Richtung die Gesamtausdehnung b hat, von der Mitte aus gerechnet die Ausdehnung 6/2. 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 n_t 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 l/i"«,· nicht überschreiten, hingegen kann auf der Erzeugungsseite der Wert η <β n_{ werden. In diesem 8g Fall wird, wie sich ebenfalls aus dem genannten Kurvenverlauf ergibt, der Mittelwert η < 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 = + δ/2 praktisch wieder gleich W₂-. Um die Oberflächenrekombination zu beeinflüssen, 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.

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 n_t 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.

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 Beweg-

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lichkeit 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,

= Volt-see

Ge, graues Sn oder die Verbindungen In Sb, Ga Sb, ίο Al Sb, In As usw. Bei Germanium mit einer Elek^wird bei

tronenbeweglichkeit von etwa 3000

einem Magnetfeld von 10 000 Gauß das Verhältnis von magnetischer Kraft auf die Elektronen zu elekirischer Kraft auf die Elektronen gleich

3000 · 10 000 · io~⁸ = 0,3.

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 Äusführungsbeispiel in Fig. 5 veranschaulicht. In Fig. 5 ist bei 10 der Halbleiterkörper, insbeson-. 30 dere ein elektronischer Eigenhalbleiterkörper, vorzugsweise in Gestalt eines Einkristalls dargestellt. Er befindet sich zwischen den Polen eines Elektromagneten 11, 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. .

Entsprechend.' den Schwankungen des Stromes in der Erregerwicklung 12 soll ein zweiter Kreis gesteuert werden. Dieser zweite Kreis umfaßt eine Gleichstromquelle 15, einen Außen widerst and oder Verbraucher 16. und den schon genannten Halbleiterkörper 10, 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.

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 10 zu erreichen, daß die Schwankungen der Steuerleistung des ersten Kreises im zweiten Kreis verstärkt wiedergegeben werden.

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 11 verschiebt sich die Zonengrenze zwischen dem Verarmungsbereich und dem Überschußbereich (Fig. 1). Entsprechend ändert sich der Widerstand, der durch den Halbleiterkörper 10 gebildet wird. 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 20 der Halbleiterkörper bezeichnet. Er besitzt an seinen beiden Stirn enden je eine Elektrode 21 bzw. 22. Der Halbleiterkörper 20 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.

Der gleichzurichtende Wechselstrom wird einer Wechselstromquelle 26 entnommen und über die Elektroden 21 und 22 dem Halbleiterkörper 20 zügeführt. In diesem Kreis ist bei 27 schematisch der Gleichstromverbraucher angedeutet.
. 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 20 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 20 befindet, sei konstant; Ferner ist vorausgesetzt, daß der Halbleiterkörper 20 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 20, 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 Oberflächenrekombination 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 der Abmessungen und der physikalischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers 20 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 20 enthält, entnommen werden.

Statt eines im wesentlichen konstanten magnetischen Feldes kann bei der Anordnung nach Fig. 6 auch ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld verwendet werden.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 5 als 125. Verstärker beruht, wie oben beschrieben, darauf, daß

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die Feldstärke des magnetischen Feldes, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, geändert und dadurch wiederum die Dicke der magnetischen Sperrschicht geändert wird.

· 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

ίο 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 30 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.

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 physikaiischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers 30 kann erreicht werden, daß das Verstärkungsverhältnis weit über ι liegt; es besteht naturgemäß auch die Möglichkeit, das Verstärkungsverhältnis, das dann besser als Regelverhältnis bezeichnet wild, gleich 1 oder kleiner als ι zu wählen.

Die physikalische Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 7 ist folgende: Ein konstantes Magnetfeld ruft an sich, wie zu Fig. 1 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 dei 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.

In Fig. 7 ist die Grenze der magnetischen Sperrschicht durch die gestrichelte Linie 30® ,angedeutet. Man sieht, daß die Elektrode 33 nicht zu lang bemessen werden darf, damit sie nicht den Halbleiter kurzschließt.

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 An-Ordnung 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.

Statt, wie in Fig. 7 gezeigt, drei Elektroden anzubringen, können auch mehr als drei Elektroden an dem Gleichrichterkörper 30 angebracht werden, so daß z. B. auch die Zahl der gesteuerten Kreise größer als 1 sein kann.

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. ' '

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 Anschluß-

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drahte 43 und 44, zugeführt wird, erzeugt ein den Strompfad ringförmig umgebendes magnetisches Feld. Dieses magnetische Feld entsteht auch im Bereich des Halbleiterkörpers 40, und zwar innerhalb des HaIbleiterkörpers 40 und außerhalb desselben. Die Folge ist, daß sich eine zylindrische magnetische Sperrschicht im Halbleiterkörper 40 ausbildet, und zwar in der Oberflächenzone. .

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. .

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Halbleitersystem. mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik, dadurchgekennzeichnet, daß der Halbleiter ein Eigenhalbleiter ist, unter der Wirkung eines elektrischen und eines zu diesem in der Richtung versetzten magnetischen Feldes steht und an derjenigen .Oberflächenzone, von der aus unter der Wirkung des magnetischen Feldes der Wegtransport der Elektron-Loch-Paare erfolgt, von solcher Beschaffenheit ist, daß die Nachlieferung von Elektron-Loch-Paaren gegenüber dem Wegtransport zurückbleibt und dadurch eine an Elektron-Loch-Paaren verarmte Zone (»magnetische Sperrschicht«) entsteht, und daß die hierdurch erreichbare Änderung der elektrischen Eigenschaften des Systems zur Steuerung benutzt ist. ■'

2. Halbleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper kristalliner Struktur, mit großen Kristallen, vorzugsweise ein Einkristallkörper, verwendet ist.

3. Halbleitersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper, der eine Elektronen- und Löcherbeweglichkeit gleich

oder größer als 100 —

cm'

Volt · see

besitzt und für den ein

homöopolarer Halbleiter (z. B. aus Ge, GaAs, PbSb usw.) benutzt ist.

4. Halbleitersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzone des Halbleiterkörpers, von der aus unter der Wirkung des magnetischen Feldes der Wegtransport der Elektron-Loch-Paare erfolgt, eine Oberflächenbehandlung im Sinne der Verminderung der Oberflächenkombinatipn durch Feinabtragung der kristallinisch gestörten Oberflächenzone erfahren hat. . ,

5. Halbleitersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche eine Oberflächenbehandlung durch Feinabtragung der kristallinisch gestörten Oberflächenschicht erfahren hat, so daß das. System insbesondere auch für solche Zwecke verwendbar ist, bei denen die Polarität des elektrischen Feldes und damit die Oberflächenzone, von der aus der Wegtransport der Elektron-Loch-Paare erfolgt, wechselt.

6. Halbleitersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzone, die derjenigen Oberflächenzone, von der aus der Wegtransport der Elektron-Loch-Paare erfolgt, gegenüberliegt, durch Polieren, Schleifen od. dgl. eine Oberflächenbehandlung im Sinne einer Erhöhung der Oberflächenrekombination erfahren hat, während die übrigen Oberflächenzonen eine Oberflächenbehandlung im Sinne der Verminderung der Oberflächenrekombination durch Feinabtragung der kristallinisch gestörten Oberflächenschicht erfahren haben. '

7. Halbleitersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Halbleitersystems durch Änderung der magnetischen Feldstärke erfolgt.

8. Halbleitersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Halbleitersystems durch Änderung der elek-■ trischen Feldstärke erfolgt.

9. Halbleitersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Halbleitersystems durch.Änderung der magnetischen Feldstärke und der elektrischen Feldstärke erfolgt.

10. Halbleitersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper außer den beiden Elektroden, die zum Anlegen der die elektrische Feldstärke erzeugenden Spannung dienen, noch eine dritte und gegebenenfalls noch weitere Elektroden aufweist und daß der Halbleiterkörper, ζ. B. über die beiden erstgenannten Elektroden in den Steuerstromkreis und über die dritte Elektrode und über eine weitere Elektrode oder, je nach der Schaltung, über eine der beiden erstgenannten Elektroden in den zu steuernden Stromkreis gelegt ist.

11. Halbleitersystem nach einem" der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes ein Dauermagnet oder einElektromagnet vorgesehen ist.

12. Halbleitersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß die Verhältnisse so gewählt sind, daß die Erzeugung der magnetischen Sperrschicht zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes des Halbleiterkörpers führt.

13. Halbleitersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden freien Flächen, zwischen denen unter der Wirkung des magnetischen Feldes der Transport der Elektron-Loch-Paare erfolgt, eine solche Oberflächenbehandlung erfahren haben, daß sich in beiden Transportrichtungen zwischen diesen beiden Oberflächenzonen eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes des Halbleiterkörpers ergibt und somit dieser Effekt auch bei Umpolung des elektrischen oder magnetischen Feldes erhalten bleibt.

14. Halbleitersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse so gewählt sind, daß die nicht-

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lineare Stromspannungscharakteristik unsymmetrisch ist.

15. Halbleitersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersystem als Gleichrichter benutzt ist.

16. Halbleitersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter durch Änderung der Stärke und/oder Richtung des Magnetfeldes mit Bezug auf das Halbleitersystem steuerbar gemacht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen