DE1212319B

DE1212319B - Halbleiteranordnung fuer Demonstrationszwecke

Info

Publication number: DE1212319B
Application number: DEL43041A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Albert Lindberg
Original assignee: E Leybolds Nachfolger AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1962-09-25
Filing date: 1962-09-25
Publication date: 1966-03-10
Also published as: US3370185A

Description

Halbleiteranordnung für Demonstrationszwecke Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung für Demonstrationszwecke.
Im Vordergrund der wissenschaftlichen Fragestellung der Physiker stehen ebenso wie in einem bedeutsamen Teilbereich der Elektronik die elektrischen Leitungsvorgänge in Halbleitern. Schon seit einigen Jahren bestehen Bemühungen, die wichtigste technische Anwendungsform der Halbleiter, die Transistoren, zu Lehrzwecken zu demonstrieren. Inzwischen sind bereits verschiedene Schaltbretter zur Verwendung von Transistoren bekanntgeworden. Es fehlte bisher jedoch die Möglichkeit, die entscheidenden physikalischen Vorgänge für die Funktion einer Kristalldiode bzw. einer Kristalltriode (Transistor) verständlich zu machen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit deren Hilfe die Vorgänge in Halbleitern demonstriert werden können, d. h. durch welche das Vorhandensein eines p-n-Überganges ermittelt, anschließend durch theoretische überlegungungen die Richtwirkung abgeleitet und im Experiment bestätigt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen Plattenkörper, welcher aus zwei an einem p-n-Übergang aneinandergrenzenden, jeweils in sich einheitlichen Plattenhälften von entgegengesetztem Leitungstypus besteht, wobei beiderseits des p-n-Überganges und an den gegenüberliegenden Seiten des Plattenkörpers Stromzuführungselektroden und an den anderen Seiten der Plattenhälften Abnahmeelektroden für eine Hallspannungsmessung angeordnet sind. Die eine der "beiden Plattenhälften soll also z. B. p-leitend, die andere dementsprechend n-leitend sein. Längs der Trennungslinie liegt der p-n-Übergang, der als konti, nuierlicher Übergang vom p-leitenden zum n-leitenden Zustand in sich nicht einheitlich sein kann.
Jede der beiden in sich einheitlichen Plattenhälften soll derart mit geeigneten Kontaktanschlüssen versehen sein, daß der Leitungstypus durch Halleffektmessungen ermittelt werden kann. Jeweils ein Kontaktanschluß jeder Plattenhälfte soll dabei dem p-n-Übergang so nahe liegen, daß er zusammen mit dem entsprechenden Kontakt der anderen Seite zur Untersuchung des p-n-Überganges selbst herangezogen werden kann.
Wird der elektrisch auf Sperrung beanspruchte p-n-Übergang belichtet, so daß in dieser an Ladungsträgern verarmten Zone neue Ladungsträger freigesetzt werden, so wird der p-n-Übergang wieder leitend.
Durch die Zusammenfassung dieser Phänomene kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung auf elementarer Ebene Verständnis für die Wirkungsweise eines Transistors gewonnen werden, der ja aus einer geeigneten Kombination eines p-n-Überganges mit einem n-p-Übergang besteht, wobei aus dem leitenden Übergang Ladungsträger in den gesperrten Übergang diffundieren und letzteren leitend machen.
Wenn man ein flächenhaftes, stromleitendes Gebiet mit Abnahmeelektroden für eine Hallspannung kontaktiert, so ist es üblich, die eine der beiden Elektroden in zwei aufzuteilen, zwischen denen mit Hilfe eines angeschlossenen Potentiometers der elektrische Symmetriepunkt verschoben werden kann. Diese bekannte Anordnung bereitet bei der Kontaktierung des -geschilderten Halbleiterelementes - aus räumlichen Gründen gewisse Schwierigkeiten. Der verfügbare Raum auf jeder in sich einheitlichen Plattenhälfte ist aus wirtschaftlichen und technischen Gründen so begrenzt, daß die beiden voneinander getrennten Kontaktpunkte nicht ohne Schwierigkeiten angebracht werden können.
In Weiterbildung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die dem p-n-übergang abgewandte Zu- ; führungselektrode für den Querstrom in zwei Zuführungselektroden aufgeteilt ist, zwischen denen wiederum ein Potentiometer angeschlossen ist, wobei der Querstrom über den Schleifer eingespeist und eine Symmetrierung der Halbelektroden durch Änderung der Querstromverteilung innerhalb des Halbleiterelementes erreicht wird. Diese bei richtiger Dimensionierung des Potentiometers überaus wirksame Maßnahme hat zudem noch den Vorteil, daß infolge des Fehlens beweglicher Potentiometerkontakte keine störenden veränderlichen Kontakt- bzw. Thermospannungen auftreten können. Es kann außerdem zweckmäßig sein, in den auf Sperrung vorgespannten p-n-Übergang, insbesondere durch Belichtung des p-n-Überganges neue elektrische Ladungsträger hineinzubringen. Die freie Zugänglichkeit der Anordnung gestattet- dies ohne weiteres. In der Zeichnung ist eine Halbleiterdemonstrationsanordnung gemäß der Erfindung schematisch wiedergegeben. Man erkennt eine Halbleiteranordnung 1 in Form zweier nebeneinanderliegender, durch eine Übergangszone (p n-Übergang) 11 getrennter, einheitlicher Plattenhälften 2, 3, auf denen geteilte Zuführungselektroden 211, 212 und 311, 312 für den Querstrom sowie diesen gegenüberliegende Elektroden 21, 31 mit Kontaktanschlüssen 210, 310 angebracht sind. Zwischen den geteilten Zuführungselektroden 211, 212 und 311, 312 sind Potentiometer 213, 313 mit Schleifern 214, 314 und Kontaktanschlüssen 215, 315 eingeschaltet. Jede Plattenhälfte 2, 3 weist außerdem je zwei Abnahmeelektroden 22, 23 und 32; 33 für die Hallspannung mit Kontaktanschlüssen 220, 230, 320, 330 auf. Der p-n-Übergang 11 kann ferner mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung belichtet werden.
Die Halbleiteranordnung 1 kann gemäß einer" Weiterbildung der.Erfindung aus einem halbleitenden Einkristall bestehen, welcher während seines Herstellungsprozesses im Leitungstypus geändert wurde. Vorzugsweise wird als Halbleiter ein Germanium-Einkristall verwendet, dessen Dotierung für beide Leitungstypen so hoch gewählt wird, daß Oberflächeneffekte für den gesamten Stromfluß innerhalb des p-n-Überganges nur von untergeordneter Bedeu-_ tung sind.
Die didaktische Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist die folgende: Es wird zunächst gezeigt, daß die beiden Plattenhälften einen Halleffekt mit Vorzeichenwechsel besitzen, folglich also auf der einen Seite p-, auf der anderen Seite n-leitend sein müssen. Daraus kann abgeleitet werden, daß die Ladungsträgerkonzentrationen der beiden Trägertypen in der Nähe des p-n-Überganges 11 vom vollen konstanten Wert ziemlich plötzlich auf Null heruntergehen. Eine solche Ladungsträgerverteilung muß auf ein angelegtes elektrisches Feld vorzeichenabhängig reagieren: Wenn die beiden Ladungsträgergebiete durch das angelegte elektrische Feld aufeinanderzu bewegt werden, so wird kein auffälliger Effekt beobachtet. Sobald durch das angelegte Feld die beiden Konzentrationsflanken sich gegenseitig voll durchdrungen hangen, wird ein einheitliches hohes elektrisches Leitvermögen der Anordnung festgestellt. Wenn aber durch das angelegte Feld die beiden Trägerwolken voneinander weggetrieben werden, so entsteht zwischen beiden ein trägerverarmtes, elektrisch isolierendes Gebiet: Die ganze Anordnung wird in grober Vereinfachung zum Isolator. Auf diese Weise wird die physikalische Funktion einer Kristalldiode bzw. eines Trockengleichrichters verständlich. Bringt man nun in den auf Sperrung vorgespannten p-n-Übergang 11 neue elektrische Ladungsträger hinein, so muß der isolierende Zustand wiederum in den leitenden übergehen. Nach dem gemachten Vorschlag sollen diese Ladungsträger durch Belichten des p-n-Überganges 11 erzeugt werden. Erfahrungsgemäß kann hierdurch eine Vervielfachung des schwachen, auch in Sperrichtung fließenden Stromes erzielt werden. Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung erlaubt im Gegensatz zu anderen Halbleiteranordnungen, die zum einwandfreien Funktionieren völlig eingekapselt und gegen Lichtzutritt abgeschlossen sein müssen, durch ihre freie Anordnung eine optische Untersuchung, wobei hierunter nicht nur die reine Betrachtung, sondern auch die optische Untersuchung physikalischer Art (z. B. Feststellung der Abhängigkeit der Sperrleitung von der Beleuchtungsstärke und/oder Lichtwellenlänge) verstanden wird.

Claims

Patentanspräche: 1. Halbleiteranordnung für Demonstrationszwecke, gekennzeichnet durch einen Plattenkörper mit zwei an einem p-n-Übergang aneinandergrenzenden, jeweils in sich einheitlichen Plattenhälften von entgegengesetztem Leitungstypus, wobei beiderseits des p-n-Übergangs und an den gegenüberliegenden Seiten des Plattenkörpers Stromzuführungselektroden und an den anderen Seiten der Plattenhälften Abnahmeelektroden für eine Hallspannungsmessung angeordnet sind.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem p-n-Übergang abgewandte Zuführungselektrode für den Querstrom in zwei Zuführungselektroden aufgeteilt ist, zwischen denen ein Potentiometer eingeschaltet ist, wobei der Querstrom über den Schleifer eingespeist und eine Symmetrierung der Hallelektroden durch Änderung der Querstromverteilung innerhalb des Halbleiterelementes bewirkt wird.
3. Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem halbleitenden Einkristall besteht, der während seines Herstellungsprozesses im Leitungstypus geändert wurde.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenhälften aus Germanium bestehen, dessen Dotierung für beide Leitungstypen so hoch gewählt wurde, daß Oberflächeneffekte für den gesamten Stromfluß innerhalb des p-n-Überganges nur von untergeordneter Bedeutung sind.