DE1114542B

DE1114542B - Einrichtung zur Verstaerkung mit Hallspannungserzeugern

Info

Publication number: DE1114542B
Application number: DES52921A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Friedrich Dipl-Phys; Dipl-Ing Karl Maaz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-03-29
Filing date: 1957-03-29
Publication date: 1961-10-05
Also published as: US2988707A; FR1200161A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Verstärkereinrichtung, die auf dem Halleffekt magnetfeldabhängiger Widerstandskörper beruht. Dabei wird dem Hallspannungserzeuger einerseits eine Steuerspannung an seinen Stromelektroden zugeführt und andererseits ein Magnetfeld angelegt.

Es ist bereits vor langer Zeit ein Vorschlag veröffentlicht worden (deutsche Patentschrift 310 012), einen Hallspannungserzeuger zur Verstärkung und Umformung von Wechselströmen zu verwenden. Dabei ging man von der Vorstellung aus, daß der Hallspannungserzeuger von einer stromdurchflossenen Spule beeinflußt werden sollte, die das Magnetfeld zur Erzeugung der Hallspannung zu liefern hätte. Der Vorschlag ging sogar so weit, die das Magnetfeld erzeugende Spule an die Hallspannung anzuschließen, wodurch die Selbsterregung von Schwingungen ermöglicht werden sollte. Es stellte sich aber inzwischen heraus, daß dieser Vorschlag technisch nicht verwertbar war, weil die Ausgangsleistung stets kleiner als die Eingangsleistung sein mußte. Die bekannte Anordnung ergab somit keinen Verstärker, sondern lediglich einen Umsetzer, und ist infolgedessen auch nicht als Schwingungserzeuger verwendbar, da die an den Hallelektroden abnehmbare Energie stets kleiner ist als die zur Erregung des magnetischen Feldes erforderliche Energie. Außerdem lieferten die seinerzeit bekannten magnetfeldabhängigen Widerstandsmaterialien zwar Hallspannungen, diese durften aber leistungsmäßig nicht belastet werden. Ähnliche Erwägungen gelten auch für andere bekannte Anordnungen zur Verstärkung mit Hallspannungserzeugern, beispielsweise Reihenschaltung der Hallspannungen mehrerer in Luftspalten eines Eisenkreises liegender Halbleiterplättchen.

Bereits seit einiger Zeit sind halbleitende Verbindungen mit Trägerbeweglichkeiten von mehr als 6000 cm²/Vs bekannt, deren Eignung für Hallspannungserzeuger inzwischen erkannt worden ist. Zu diesen halbleitenden Verbindungen gehören Verbindungen von der Form A_1n B_v, d. h. von Elementen der III. und der V. Hauptgruppe des Periodischen Systems. Eine solche Verbindung eines Elementes A der III. Gruppe mit einem Element B der V. Gruppe des Periodischen Systems wird beispielsweise durch Indiumantimonid oder Indiumarsenid dargestellt.

Durch Verwendung solcher Stoffe könnte man diesem Problem bereits näherkommen. Um nun mit einem solchen Halbleiter unter Ausnutzung des Halleffektes Verstärkungswirkungen zu erreichen, genügt es aber nicht allein, daß das Verhältnis von abgegebener Energie zur Steuerleistung den Wert 1 erEinrichtung zur Verstärkung
mit Hallspannungserzeugern

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ph.ys. Dr. rer. nat. Friedrich Kuhrt

und Dipl.-Ing. Karl Maaz, Nürnberg,

sind als Erfinder genannt worden

reicht, denn um eine sinnvolle Verstärkung bewerkstelligen zu können, muß die Ausgangsleistung zur Eingangsleistung mehr als 1 betragen, insbesondere wesentlich größer sein. Dies ist insbesondere dann erstrebenswert, wenn eine solche Verstärkeranordnung durch Schaffung eines Rückkopplungsweges als Schwingungserzeuger dienen soll. Zur technischen Brauchbarkeit einer solchen Anordnung wäre es kaum ausreichend, wenn der Hallgenerator gerade mit Mühe noch die Selbsterregungsbedingungen erfüllte, also etwa gerade zu schwingen begänne, ohne dabei Leistung abgeben zu können, denn man wird natürlich danach streben, eine Anordnung zu schaffen, die nennenswerte Verstärkungsziffern zu liefern vermag oder Schwingungen zu erzeugen imstände ist, die auf brauchbarem Leistungsniveau liegen.

In der Zeitschrift »Nature« vom 19. 3. 1955, S. 518, ist darüber berichtet worden, daß Hallspannungserzeuger aus Indiumantimonid (Hallgeneratoren) als Leistungsverstärker dienen können. Zu diesem Zweck soll in einem schmalen Luftspalt eines geschlossenen Magnetsystems ein dünnes Halbleiterplättchen eingesetzt und vom Eingangssignal magnetisch erregt werden. Man erhielt damit eine fünffache Leistungsverstärkung. Dieser Effekt wurde mit der hohen Trägerbeweglichkeit des Halbleitermaterials begründet, doch fehlen eindeutige Angaben, die eine Reproduzierung bzw. eine Erhöhung der Verstärkerwirkung ermöglichen könnten.

Die Erfindung baut nun auf der Überlegung auf, daß die Verstärkerwirkung des Hallgenerators für viele Anwendungsfälle von größter Bedeutung werden

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kann. Besonders ist auf die außerordentliche Rauscharmut eines solchen Verstärkers hinzuweisen, die eine Folge seines niederohmigen Eingangs- und Ausgangswiderstandes ist. Sie wirkt sich vor allem dann besonders vorteilhaft aus, wenn man das erregende Magnetfeld mehrfach ausnutzt und mehr als einen Hallgenerator vorsieht, wie dies für Modulationszwecke u. dgl. an sich bekannt ist, Jedoch vermag ein als Verstärker wirksamer Hallgenerator hier wesentlich neue und überraschende Wirkungen herbeizuführen. Um solche Anwendungen zu ermöglichen, bedarf es aber einer vollständigen und allgemeinen Lehre, unter welchen Umständen eine Verstärkerwirkung überhaupt erzielbar ist. Nur dann läßt sich abschätzen, ob der Aufwand durch die erzielbare Wirkung gerechtfertigt ist.

Wie sich durch Untersuchungen und rechnerische Überlegungen ergeben hat, spielt für die Verstärkereigenschaften einer Hallgeneratoranordnung der Koeffizient

/Ό·

eine wichtige Rolle. Darin bedeutet μ₀ die Permeabilität der Luft in Vs/Acm, R_h den Hallkoeffizienten in cmVAs, w die Windungszahl der das Magnetfeld erzeugenden Wicklung, /_s den den Hallspannungserzeuger durchfließenden Steuerstrom in A, R_ih den Innenwiderstand des Hallplättchens in Ω, R_w den an die Hallelektroden angeschlossenen Widerstand in Ω, d die Dicke des Hallplättchens und δ die Höhe des Luftspaltes in cm.

Berücksichtigt man, daß der innere Widerstand des Halbleiters R_ih proportional 11 a · d ist, wobei σ die Leitfähigkeit bedeutet, so erhält man unter Heran-Ziehung der Anpassungsbedingung R_ih = R_w

IH · ^w · h · Ru-σ ~2δ

Nun ist aber σ · R₁, proportional der Trägerbeweglichkeit//, so daß sich der obige Ausdruck ergibt zu

J₀-W- l_s

L·

δ ■

Während der erste Teil dieses Ausdrucks für die Verstärkerwirkung keine ausschlaggebende Rolle spielt, wurde erkannt, daß fast ausschließlich der

Quotient -— von Bedeutung für die Verstärkereigenschaften ist und einen bestimmten Grenzwert überschreiten muß. Die Trägerbeweglichkeit ist also nur eine der wesentlichen Einflußgrößen.

Von diesen Erkenntnissen ausgehend, betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Verstärkung und/oder Schwingungserzeugung bzw. Überlagerung mit HiKe von mehr als einem den Halleffekt ausnutzenden magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper aus einem Werkstoff mit hoher Trägerbeweglichkeit, insbesondere aus einer halbleitenden Verbindung der Form A₁₁₁By, unter Verwendung eines geschlossenen Magnetsystems mit einem Luftspalt zur Aufnahme der Halbleiterkörper. Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß. bezogen auf alle Halbleiterkörper, Werkstoff und Luftspaltbreite so aufeinander abgestimmt sind, daß der Quotient aus Trägerbeweglichkeit und Luftspaltbreite den Wert von 10⁶ cm/Vs wesentlich überschreitet.

Die Hallgeneratoren können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden. Es ist möglich, eine solche Anordnung gleichzeitig zur Verstärkung, Schwingungserzeugung und Überlagerung heranzuziehen, um damit Modulations-, Demodulations- und Überlagerungseffekte zu erzielen. Gegebenenfalls lassen sich gleichzeitig mehrere Schwingungen erzeugen, wobei die Rückkopplungskreise der einzelnen Hallgeneratoren auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden. Die Schwingungsenergie kann an einem zusätzlich im Hallkreis vorgesehenen Widerstand abgenommen werden, an dessen Stelle auch ein Transformator oder eine andere Anordnung zur Leistungsentnahme vorgesehen sein kann.

Zur Erzielung von Gleichrichtereffekten kann man entweder für eine Vormagnetisierung des Magnetsystems sorgen oder einen ferromagnetischen Werkstoff mit annähernd rechteckförmiger Magnetisierungsschleife verwenden. Derartige Werkstoffe sind im Handel beispielsweise als »Permenorm 5000 Z« bekannt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Verstärkung und/oder Schwingungserzeugung bzw. Überlagerung mit Hilfe von mehr als einem den Halleffekt ausnutzenden magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper aus einem Werkstoff mit hoher Trägerbeweglichkeit, insbesondere aus einer halbleitenden Verbindung der Form A₁₁₁B_v, unter Verwendung eines geschlossenen Magnetsystems mit einem Luftspalt zur Aufnahme der Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf alle Halbleiterkörper, Werkstoff und Luftspaltbreite so aufeinander abgestimmt sind, daß der Quotient aus Trägerbeweglichkeit und Luftspaltbreite den Wert von 10⁶ cm/Vs wesentlich überschreitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem vormagnetisiert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Magnetsystem ein ferromagnetischer Werkstoff mit annähernd rechteckiger Magnetisierungsschleife verwendet ist.

4. Anordnung nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schwingungen gleichzeitig erzeugt werden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungskreise der einzelnen Hallgeneratoren auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Magnetsystem eine zusätzliche Erregerwicklung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 310 012;
französische Patentschrift Nr. 995 788;
USA.-Patentschriften Nr. 1778 796, 2 649 574;
»Siemens-Zeitschrift«, 1954, Heft 8, S. 376 bis 384; »ETZ-A«, 1955, Heft 15, S. 513 bis 517;
Zeitschrift »Nature« vom 19. 3.1955, S. 518.