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Elektrisches Meßgerät, das auf der Anderung der elektrischen Eigenschaften
beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt
Es
sind Meßgeräte bekanntgeworden, die auf der Anderung der elektrischen Eigenschaften
beruhen, die ein Meßkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt. Es handelt
sich um Geräte, bei denen die magnetische Widerstandsänderung oder der Halleffekt
ausgenutzt werden - insbesondere zur Messung von Magnetfeldern, die am Meßkörper
im Magnetfeld auftreten. Als Meßkörper sind bisher Wismut oder Halbleiterkörper,
z. B.
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Germanium, angegeben worden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Meßgerät, das auf
der Erfassung der Anderung des elektrisdhen Widerstandes beruht, die ein Halbleiterkörper
in einem Magnetfeld erfährt, oder auf der Erfassung der Hallspannung, die an dem
stromdurchflossenen Halbleiterkörper unter der Wilrkung des Magnetfeldes auftritt.
Erfindungsgemäß ist als Halbleiterkörper eine der halbleitenden Verbindungen In
Sb, InAs, GaAs, InP oder GaSb vom Typ AIIIBV mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens
6000 cm2/Vsec vorgesehen. Der Zusammenhang zwischen dem Magnetfeld und den vorgenannten
elektrischen Eigenschaften des dem Magnetfeld ausgesetzten Halbleiterkörpers ist
in an sich bekannter Weise zur Messung des Magnetfeldes ausgenutzt. Dabei
wird
von dem Zusammenhang Gebrauch gemacht, der zwischen der Trägerbeweglichkeit des
Halbleiterkörpers und der Größe der Änderung seiner elektrischen Eigenschaften besteht,
die der Halbleiterkörper unter der Wirkung des Magnetfeldez erfährt.
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Durch die gemäß der Erfindung zu verwendenden Stoffe mitTrägerbeweglichkeiten
von6000 cm2/Vsec oder mehr ergibt sich unter anderem der Vorteil, daß bei gleicher
geometrischer Dimensionierung des Halbleiterkörpers als Meßkörper und bei gleicher
aufgenommener Primärleistung sowie bei gleicher Ladungsträgerkonzentration des Meßkörpers
die im Magnetfeld auftretende Widerstandsänderung bzw. Hallspannung wesentlich größer
wird als bei den bisher bekannten Geräten. Dies bedeutet eine entsprechende Erhöhung
der Meßgenauigkeit.
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Der besondere Wert der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Hallspannung
der zur Anwendung gelangenden Verbindungen leistungsmäßig belastet werden kann,
d. h. daß es möglich ist, die Hallspannung unmittelbar, also ohne Verstärker mit
hochohmigem Eingang, auf leistungsaufnehmende Einrichtungen zu schalten. Bei einem
der bekannten Geräte, z. B. mit Germanium, würde die Hallspannung bei einer derartigenBelastung
zusammenbrechen.
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Die nach den obigen Angaben geforderte hohe Trägerbeweglichkeit des
für den Meßkörper verwendeten Stoffes ist, wie sich durch Forschungen ergeben hat,
nur bei bestimmten halbleitenden Verbindungen zu erwarten. In diesem Zusammenhang
ist zu beachten, daß Germanium eine Trägerbeweglichkeit von etwa 3000 cm2/Vsec aufweist
und daß man diesen Wert bisher überhaupt als obere Grenze für die Trägerbeweglichkeit
bei Halbleitern angesehen hat. Inzwischen hat sich aber, wie schon gesagt, ergeben,
daß man bei halbleitenden Verbindungen Trägerbeweglichkeiten erhalten kann, die
über die des Germaniums hinausgehen und Werte erreichen von 6000 cm2/Vsec und mehr.
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Wenngleich man bei der bekannten Verwendung von Wismut als Meßkörper
nicht von der Trägerbeweglichkeit des Wismuts ausgegangen ist, so sei doch erwähnt,
daß Wismut eine Trägerbeweglichkeit von etwa 5000 cm2/Vsec besitzt und Quecksilberselenid
Hg Se von mindestens 7000 cm2/Vsec.
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Diese Stoffe sind jedoch wegen ihres bei Normaltemperatur metallischen
Verhaltens schlecht geeignet. Es ist somit ersichtlich, daß bei Ve;rwendung der
beanspruchten halbleitenden Verbindungen mit einer Trägerbeweglichkeit von nlindestens
6ooo cm2/Vsec sich auch gegenüber Wismut und Hg Se eine Steigerung der Änderung
der benutzten elektrischen Eigenschaft im Magnetfeld und somit eine Erhöhung der
Meßgenauigkeit ergibt.
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Halbleitergeräte, bei denen als Halbleiterkörper halbleitende Verbindungen
vom Typ AIIIBV verwendet sind, sind allgemein im deutschen Patent 970420 zur Verwendung
in elektrischen Halbleitergeräten, nicht jedoch für Haltmessungen vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Auswahl regel an für diese Verbindungen bei
Halbleitergeräten, die auf der Ausnutzung der magnetischen Widerstandsänderung oder
des Hall effektes beruhen. Von den beanspruchten Stoffen sind besonders geeignet
die Verbindungen In Sb, das eine Trägerbeweglichkeit von über 20000 cm2/Vsec be
sitzt, und In As, die gegenüber Germanium einen sehr kl einen Temperaturkoeffizienten
aufweist.
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Nach obigem empfiehlt es sich, für den Meßkörper die beanspruchten
halbleitenden Verbindungen zu benutzen, deren Trägerbeweglichkeit über 6000 cm2/Vsec
hinausgeht, z.B. den Wert von 10000 oder auch den Wert von 20000 cm2/Vsec oder noch
mehr erreicht Die Ausführung des Meßgerätes nach der Erfindung kann, abgesehen von
der besonderen Wahl des Stoffes für den Meßkörper, in an sich bekannter Weise erfolgen.
Bei Verwendung von Wismut stellte man den Meßkörper in der Regel in Form einer Drahtspirale
her. Im vorliegenden Fall, in dem nach obigem für den Meßkörper eine halbleitende
Verbindung benutzt ist, wird der Meßkörper vorzugsweise als Stäbchen mit einem Querschnitt
von einigen Quadratmillimetern hergestellt.
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Der Grund hierfür liegt unter anderem darin, daß der ,als Meßkörper
benutzte Halbleiter im allgemeinen aus einem Kristall besteht.
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Wird der Messung des Magnetfeldes die Änderung des elektrischen Widerstandes
zugrunde gelegt, die der Meßkörper unter der Wirkung des zu messenden Magnetfeldes
erfährt, so kann in bekannter Weise die Messung der Widerstandsänderung in einer
Brückenschaltung erfolgen, wie sie in Fig. I dargestellt ist. Hiernach sind zwei
Restwiderstände R1 und R2 mit einem geeichten Regelwiderstand R3 und dem Meßkörper
zu einer Brücke zusammengeschaltet, die an der Spannungsquelle U liegt und in deren
Brückenzweig ein Nullinstrument G angeordnet ist. Die Messung wird in der Weise
durchgeführt, daß zunächst, bevor noch der Meßkörper in das zu messende Magnetfeld
gebracht wird, die Brücke abgeglichen wird, also durch entsprechende Einstellung
am Regelwiderstand R3 das Nullinstrument G auf Null eingestellt wird. Alsdann wird
der Meßkörper in das zu messende Magnetfeld eingeführt und darauf wieder durch entsprechende
Einstellung des Widerstandes R8 das Nallinstrument G auf Null eingestellt. Die hierfür
erforderliche Änderung der Einstellung am Widerstand R3 gibt ein Maß für die Widerstandsänderung,
die der Aleßkörper M durch das Magnetfeld erfahren hat, und somit ein Maß für die
Größe des zu messenden Magnetfeldes.
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Es ist oben schon erwähnt, daß der Messung des Magnetfeldes auch
die Hallspannung zugrunde gelegt werden kann, die an dem Meßkörper im Magnetfeld
auftritt. Hierfür kann eine Kompensationsschaltung benutzt werden, wie sie in Fig.
2 dargestellt ist und wie sie an sich bekannt ist.
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Gemäß Fig. 2 ist der Meßkörper in Reihe mit einem Widerstand R4 an
eine Gleichspannungsquelle Ut gelegt, die eine vorgegebene konstante Spannung besitzt.
Mit K ist ein Widerstand bezeichnet, der einen verschiebbaren Abgreifkontakt k
besitzt
und an einer Gleichspannungsquelle U2 liegt, die ebenfalls eine vorgegebene konstante
Spannung hat. An dem Meßkörper sind bei m und m2 zwei Hallsonden angebracht, und
zwar in solcher Lage, daß sie auf einer Äquipotentialfiäche liegen, vorausgesetzt,
daß der Körper sich außerhalh eines Magnetfeldes befindet. Die Hallsonde m ist über
das Nullinstrument G elektrisch mit dem Abgreifkontakt k und die Hallsonde m2 mit
dem einen Ende des Kompensationswiderstandes K verbunden.
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Das Gerät nach Fig. 2 wird in der Weise benutzt, daß, bevor der Meßkörper
M dem zu messenden Magnetfeld ausgesetzt wird, durch entsprechende Einstellung des
Kontaktes k das Nullinstrument G auf Null eingestellt wird. Alsdann wird der Meßkörper
M in das zu messende Magnetfeld gebracht.
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Dies führt nach dem sogenannten Halleffekt zu einer Drehung der Äquipotentialfläche
in dem Meßkörper M, mit der Folge, daß zwischen den Sonden mt und m2 eine Spannung
entsteht, die ein Maß ergibt für die Größe des Magnetfeldes. Diese Spannung wird
durch entsprechende Verschiebung des Abgreifkontaktesk an dem Kompensationswiderstand
K kompensiert und damit gemessen.
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Die angegebene und in dem Gerät nach Fig. 2 verwirklichte Meßmethode
setzt für genaue Messungen voraus, daß die Hallspannung hinreichend groß wird. Dies
ist aber unter den oben angegebenen Voraussetzungen wieder abhängig von der Trägerbeweglichkeit
des für den Meßkörper benutzten Stoffes. Es hat also auch hier die Erhöhung der
Trägerbeweglichkeit eine entsprechende Erhöhung der Hallspannung und damit eine
entsprechende Vergrößerung der Meßgenauigkeit zur Folge.
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Die oben angegebenen und an Hand der Fig. I und 2 erläuterten Meßverfahren
können, wie schon gesagt, atich zusammengefaßt werden, und zwar so, daß die Summe
aus Hallspannung und einer Spannung benutzt wird, die der Widerstandsänderung des
Meßkörpers im Magnetfeld entspricht. Ein Gerät, das auf diesem Meßverfahren beruht,
ist in Fig. 3 in einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Gemäß Fig. 3 ist der
wieder mit M bezeichnete Meßkörper in Reihe mit einem Widerstand R5 an eine Gleichspannungsquelle
U3 gelegt. Parallel zu der Reihenschaltung des Meßkörpers M und des Widerstandes
R5 ist an die Gleichspannungsquellen, die Reihenschaltung eines Widerstandes R6
und eines Kompensationswiderstandes K gelegt, dessen Abgreifkontakt mit k bezeichnet
ist.
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Der Meßkörper M besitzt bei m, eine Hallsonde, die über ein Nullinstrument
G mit dem Abgreifkontakt k elektrisch verbunden ist. Der Meßkörper M braucht im
vorliegenden Fall nur eine einzige Hallsonde zu besitzen. Die Durchführung -der
Messung erfolgt ähnlich wie in Fig. 2. Es wird also zunächst, bevor der Meßkörpers
dem zu messenden Magnetfeld ausgesetzt wird, durch entsprechende Einstellung des
Abgreifkontaktes k das Meßgerät G auf Null eingestellt. Daraufhin wird der Meßkörpers
in das zu messende Magnetfeld gebracht und durch Verschiebung des Abgreifkontaktes
k das Gerät G wieder zum Einspielen auf Null gebracht. Die hierzu erforderliche
Verstellung am Kompensationswiderstand K ist ein Maß für die Spannungsänderung,
die im Punkt m, durch die Einwirkung des zu messenden Magnetfeldes eingetreten ist.
Diese Spannungsänderung am Punkt m1 geht, wie leicht zu ersehen ist, zurück auf
die Hallspannung und auf die Widerstandsänderung, die der Meßkörper M im Magnetfeld
erfahren hat. Bei entsprechender Eichung des Kompensationswiderstandes K kann an
diesem unmittelbar die zu messende magnetische Feldstärke abgelesen werden. Es ist
hervorzuheben, daß bei dem Gerät nach Fig. 3 beide der eigentlichen Messung zugrunde
liegende elektrische Größen, nämlich die am Meßkörper M auftretende Hallspannung
und die an ihm auftretende Widerstandsänderung, abhängig sind von seiner Trägerbeweglichkeit.
Infolgedessen hat das Gerät nach Fig. 3 den Vorteil, daß hier die Größe der Trägerbeweglichkeit
zweimal (additiv) in die Messung eingeht.
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Die angegebenen Meßgeräte können naturgemäß mit den verschiedenartigen
Schaltungen verwirklicht werden, gegebenenfalls auch mit Hilfe von Wechselspannungen.