Elektrisches Messgerät, das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt Das Hauptpatent bezieht sich auf ein elektrisches Messsgerät., das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht,
die i#in Halbleiterkörper unter der Wirkung eine Jla"netfelcles erfährt. Für den Messkörper wird hierbei eine halbleitende Verbindung mit einer Bewegliehkeit der Ladungsträger (Elektronen- oder Defektelektronenbeweglieh- lwit)
von mindestens 6000 em2/VS Verblen- det. Bei einer besonderen Ausführungsform wird zur Messung die Änderung des elek- trisclienWiderstandes, den der :lIesskörper im Magnetfeld erfährt, benützt.
Die vorliegende Erfindung stellt. eine Weiterbildung eines solchen Messgerätes dar und besteht darin, dass zur Unterdrückung der Ausbildung eines Haufeldes ein -Messkörper von solcher aeo- ijietriseher Form vorgesehen ist.
dass der Elektrodenabstand kleiner ist als die mittlere Au>delinung des Messkörpers senkrecht zur Richtung des Primärstroms und des Magnet- feldes. Hierdurch ergeben sieh verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten für die Verwen dung des CTerätes. Insbesondere ist. es mög lich, auf diese Weise die Höhe der Wider standsänderung, die bei dein Gerät nach dem Hauptpatent auftritt, wesentlich zu ver grössern.
Die physikaliselien (Trundlagen, auf denen die vorliegende Erfindung beruht, zeigen die naelifolgenden Betrachtungen. Wird ein stabförmiger Leiter in, seiner Längsrichtung von einem elektrischen Strom durchflossen, so haben die elektrischen Strom linien den in Fig.1a dargestellten Verlauf, das heisst, der Stromdurchfluss erfolgt so, dass die Strombahnen kürzeste Wege voll Elektrode zu Elektrode sind und somit der Leiter den kleinstmöglichen Widerstand an nimmt.
Wird senkrecht zur Zeichenebene ein Magnetfeld - dessen Durchstosspunkte in Fig. 1b durch 0 angedeutet sind - einge schaltet, so erfolgt zunächst eine Ablenkung der Ladungsträger senkrecht zu den Strom linien und zum Magnetfeld. Dies führt zu einer elektrischen Aiifladung der beiden in der Ablenkrichtung liegenden Oberflächen.
Das hierdurch gebildete elektrische Feld be zeichnet man als Hallfeld, die zugehörige elektrische Querspannung als Hallspannung. Im stationären Zustand ist. das Hallfeld ge rade so gross, dass es die magnetische Kraft auf die Ladungsträger kompensiert. Aus diesem Grunde haben bei einem Leiter- bzw. Halbleiterkörper von der Form nach Fig.1 die Stromlinien mit Magnetfeld (Fig.1b) denselben Verlauf wie ohne Magnetfeld (Fig. la).
Trotzdem wird durch das 1Iagnet- feld der Widerstand des Leiters bzw. Halb leiters erhöht. Dies beruht. darauf, dass im Magnetfeld die der Ladungs träger kleiner ist als ohne Magnetfeld. Dieser Effekt wird allgemein und auch im Haupt patent als magnetische Widerstandsände rung bezeichnet.
Die Widerstandsänderung im Magnetfeld lässt sieh über den vorgenannten Effekt hin aus durch entsprechende Formgebung des Halbleiters und durch seine Lage im Magnet feld vergrössern. Dies tritt dann ein, wenn Form und Lage so gewählt sind, dass die Aus bildung des Hallfeldes unterdrückt wird, so dass eine Ablenkung der Strombahnen eintritt. Ein solcher Fall wird anhand der Fig.2 erläutert. Ein quaderförmiger Halb leiter ist an zwei gegenüberliegenden Flächen mit Flächenelektroden versehen.
Die Ausdeh nung senkrecht zur Zeichenebene ist. für den Effekt ohne Belang, wesentlich ist nur, dass der Abstand der Elektroden kleiner ist als deren Länge bzw. als jene des Halbleiterkör pers in der Zeichenebene. -Vird an die Elek troden ein elektrisches Feld gelegt, so nehmen die sich ausbildenden Strombahnen den kür zesten Weg zwischen den beiden Elektroden ein (Fig. ?u). Schaltet man aber senk recht zur Zeichenebene ein -lagr,.etfeld dessen Durchstosspunkte in Fig. 2b mit 0 an gedeutet sind - ein,
so kann die Hallspan- nung die magnetischen Kräfte auf die Strom bahnen - im Gegensatz zu den Verhält nissen bei Fig. 1 - nicht mehr kompensieren. Die Strombahnen mit Magnetfeld (Fig.2'b) werden daher gegenüber ihrem Verlauf ohne Magnetfeld (Fig. ? .) um den Winkel 8, den sogenannten Hallwinkel, gedreht. Dies hat zur Folge, dass die Strombahnen nicht mehr die kürzesten Verbindungen zwischen den Elektroden darstellen.
Neben der dadurch verursachten Vergrösserung der Widerstands änderung im Magnetfeld durch die Strom bahnverlängerung tritt eine zusätzliche Ver grösserung dadurch ein, dass nun die Ab stände zwischen den Strombahnen kleiner sind, was gleichbedeutend ist mit einer Erhö hung der Stromdichte und somit des Wider standes.
Bei Leitern und Halbleitern mit mittlerer und kleiner Trägerbeweglichkeit ist auch unter Zuhilfenahme dieses Effektes die ma- gnetisehe Wiclerstandsänderung immer noch so gering, dass sie im allgemeinen für eine technische Anwendung unzureichend ist.. An ders dagegen bei Halbleiterkörpern mit einer Trägerbeweglichkeit von etwa 6000 em"/V s, vorzugsweise aber von<B>10000</B> eni /V s und noch grösser.
Bei diesen Materialien ist die Verlagerung der Strombahnen im -Magnet- feld so gross, dass sie praktisch in Ersebei- nung tritt. So ist es niö-- lieh.@ -lieh. Widerstands- änderungen zu erreichen, die die bisher bei Wismut bekannten Werte weit übertreffen. In Fig. 3 werden die gemessenen -V iderstancl:;
- änderungen in einem Magnetfeld von 10 000 Gauss bei Wismut (Bi-), (sermanium ,e) und Indiumantimonid (InSb), gegenüberge stellt, bezüglich des letzteren hinsichtlich der Abhängigkeit von der geometriseben Form und der Lage im Magnetfeld der verwen deten InSb-Körper. Und -vr entspricht die Kurve a einer Anordnung;
des Halbleiter körpers im -Magnetfeld gemäss Fig-. '(10X3#-- 0,5 mm), die Kurve b einer quadratiseben Platte (S X S X0,5 mm) und die Kurve c einem Stab gemäss der Fig.1.
Die Anordnung nach Fig. ? hat einen verhältnismässig kleinen Widerstand, der vor allem bei niederohmigen Halbleitermateria lien, zum Beispiel bei InSb, für ma.nehe An wendungen unerwünscht sein kann. De iii kann durch die Hintereinandersehaltung einer Anzahl solcher Kristalle begegnet werden.
Die gleiche Wirkung erzielt man dadurch, dass man, wie in Fig. -1 dargestellt, auf eine Halb leiterplatte, an deren Schmalseite die Elek troden angebracht sind, leitende Streifen parallel zu den Elektroden aufbringt, und zwar durch Auflöten dünner Drähte oder durch Aufstreichen bzw. Aufdämpfen von leitendem Material finit. Rastern. Dabei muss der Abstand der Streifen grösser als die Aus dehnung der Platte senkrecht zur Zeichen ebene sein.
Die Anordnung nach Fi-. -1 ist einer Hin- t' mehrerer getrennter Halbleiterkörper von der Art der Fig. 2 da durch überlegen, dass sie weniger Raum in Anspruch nimmt und damit die V erwen- (huig von Magnetfeldern geringer räuin- lielier Ausdehnung ermöglicht.
Bei der Anordnung nach Fig. ? sind Rand störungen möglich, die dadurch bedingt sind, (lass in der Nähe der elektrodenfreien Ober flä eben die Strombahnen auch im Magnet feld annähernd parallel zur Oberfläche ver laufen müssen.
Solche Randstörungen werden vei,niieden, wenn man, wie in Fig. 5 darge stellt, als Halbleiterkörper eine kreisförmige Scheibe verwendet, die von der einen Elek- trode ganz umgeben ist, während die zweite in der TVIitte der Scheibe angebracht ist (Corbinoseheibe). Diese Körperform stellt einen Grenzfall einer Form gemäss Fig. ? dar. Sie kann dadurch entstanden aufgefasst wer clen, dass ein Halbleiterkörper gemäss Fig.2 zu einer Seheibe umgebogen wird.
Dabei wird die eine -lektrodenfläehe vergrössert und die andere gegen Null verkleinert; die Mittellinie zwisehen beiden Elektrodenfläehen behält etwa die gleiche Länge. Bei dieser Körper- form tritt daher an die Stelle des Elektroden- sil>standes der Radius der Scheibe und an die Stelle der Ausdehnung des Messkörpers senk recht zur Rielitluig des Primärstroms und des Magnetfeldes der Umfang eines kon- <RTI
ID="0003.0029"> zentrisehen Kreises mit, halbem Scheiben radius, der als mittlere Ausdehnung des Messkörpers bezeichnet wird. Es ist nicht un bedingt notwendig, dass die Scheibe kreisför- inig ist. Wegen des Wegfallens der Rand- störtun,-en ist bei dieser Anordnung die Wi derstandsänderung im Magnetfeld besonders gross.
Der Stromlinienv erlauf ohne Magnet feld wird in Fig.5a, derjenige mit Ma.gnet.- feld in Fig. 5b angedeutet. \Zur Erzielung eines hohen Gesamtwiderstandes wird die Innenelektrode als Punktkontakt ausgestaltet. Der Punktkontakt ist dadurch definiert, dass das Verhältnis Radius der Aussenelektrode zu Radius der Innenelektrode mindestens gleich 10 oder grösser ist.
Der Widerstand der Anordnung ist gegeben durch die Formel
EMI0003.0043
fIierin ist 2 der spezifische Widerstand, d die Dicke des Halbleiterkristalles, R1 der Radius der Aussenelektrode und R2 der Ra dius der Innenelektrode.
Bei der Anwendung der Erfindung wird ein Punktkontakt bevorzugt, welcher in der folgenden ZVeise hergestellt ist: Der Kristall wird mit einer kleinen Bohrung versehen und in diese Bohrung ein Metalldraht, der den Kristall ganz durchquert, eingelötet (Fig. 6). Diese Anordnung hat gegenüber der in Fig. 7 dargestellten Anordnung, in welcher ledig lich ein oberflächlicher Punktkontakt vorge sehen ist, den Vorteil, dass von vornherein die Stromlinien in der Nähe des Punktkon taktes auf dem Magnetfeld senkrecht stehen und dadurch die Widerstandsänderung im Magnetfeld maximal gross wird. Weiterhin ist es möglich, anstelle der die Scheibe um fassenden Aussenelektrode eine zweite Punkt elektrode oder auch mehrere Punktelektroden paare anzubringen.
Neben dein Vorteil einer grossen Wider standsänderung und eines hohen absoluten Widerstandes hat eine derartige Anordnung auch den Vorteil einer relativ, hohen Strom belastbarkeit. Die äussern Teile des Halblei- terkristalles stellen eine relativ grosse Kühl fläche dar und tragen zur Ableitung der in der N älie des Punktkontaktes entwickelten Wärme bei.
Bei der letztgenannten Anordnung ist es nicht nötig, dass sieh der ganze Kristall im Magnetfeld befindet.; es genügt, wenn die Um gebung des Punktkontaktes, die den wesent lichen Beitrag zum Gesamtwiderstand liefert, dein Magnetfeld ausgesetzt ist, mit dem Vor teil, dass auch relativ kleine Magnetpolschuhe verwendet werden können. Daraus ergibt sich wiederum die Möglichkeit, die für den er- wünsehten Effekt wenig beitragenden äussern Teile der Corbinoseheibe durch Bleche zu er setzen, die dann als Kühlrippen wirken und deren Grösse entsprechend der erforder lichen Wärmeabfuhr gewählt werden kann.
Ferner kann bei einem Messgerät nach der Erfindung die Lage bzw. die Lageänderung des Halbleiterkörpers als eine Einflussgrösse bzw. als eine von mehreren Einflussgrö sseil benutzt -werden. Es kann also zum Beispiel finit einer Einflussgrösse (Steuergrösse)
die am Halbleiterkörper liegende Spannung mit einer zweiten Einflussgrösse die Stärke des auf den 1-Ialbleiterkörper wirkenden Magnetfeldes und mit einer dritten Einflussgrösse die Lage des Halbleiterkörpers im 1Vlagnetfeld geän- dert werden.
Die in diesem Falle von den vorgenannten Einflussgrössen abhängige Hall spannung kann zur Steuerung eines Kreises verwendet -werden Lind/oder auch mittelbar oder -unmittelbar in den Steuerkreis einge- führt werden, in dem die Widerstandsli.ide- rung des Halbleiterkörpers ausgenutzt wird;
das heisst also, dass Hauspannung und magne tische Widerstandsänderung in derselben Mess- bzw. Steuerschaltung kombiniert Verwenden- finden können.
Die vorstehenden Überlegungen legen es na.lie, den Halbleiterkörper in seiner Lage zum Magnetfeld einstellbar zu niaehen. Von dieser Möglichkeit kann aueli in der Weise CTebraueh gemacht werden,
dass der Halb leiterkörper über eine Stellschraube oder der- gleiehen entspreellend denn jeweiligen Ail- wendungszweek in eine bestimmte Lage ge bracht und damit eine bestimmte Wider- standskurve (vgl. Fig.3) ausgewählt bzw. einbestellt wird.