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Elektrodensystem.
Als Gleichrichter oder Steuerorgan für hochfrequente elektrische Schwingungen, z. B. als Detektor für Superheterodyneempfänger, verwendet man meistens Dioden-Strecken mit Glühkathode, mitunter auch Kristalldetektoren.
Die ersten haben den Nachteil, dass sie Kathoden-Heizenergie verzehren und verhältnismässig viel Raum beanspruchen, auch dass die Heizschaltung als Eingangspforte für Störungen dienen kann.
Die Kristalldetektoren haben diese Fehler zwar nicht, sind aber sehr unverlässlich, da ihre
Kennlinie in hohem Grade von der Beschaffenheit des zufällig gerade berührten Oberfläehenpunktes des Kristalls, insbesondere von der dort vorhandenen mehr oder weniger ausgebildeten Sperrschicht abhängt.
Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, sogenannte Trockengleichrichter für hoch-oder niederfrequente elektrische Schwingungen zu verwenden, wobei man jedoch auf den Nachteil stiess, dass die Eigenkapazität der bekannten Elektrodensysteme von Troekengleichrichtern starken und unkontrollierbaren Schwankungen zwischen den verschiedenen Individuen unterworfen waren.
Die Eigenkapazität eines solchen Systems ist von ganz besonderer Bedeutung, da sie beim Ent- wurf eines hochfrequenten oder mittelfrequenten Stromkreises durch die Dimensionierung anderer
Schaltelemente berücksichtigt werden muss. Wenn nun die verschiedenen Zellen untereinander ver- schiedene Eigenkapazität haben, so würde die vorteilhafte Wirkung der Anpassung der anderen Schalt- elemente beim Auswechseln der Zellen verlorengehen.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Elektrodensystem mit unsymmetrischer Leitfähigkeit und einer geringen und reproduzierbaren Eigenkapazität.
Diese Kapazität wird ausser durch die Dicke der Sperrschicht vor allem durch die Grösse ihrer "wirksamen", d. h. stromdurchflossenen Oberfläche bedingt. Die Dicke der Sperrsehiehte liegt in dem erfindungsgemässen System vollkommen fest, da sie vorzugsweise gesondert hergestellt wird und durch die Zusammensetzung, beispielsweise der Flüssigkeit, aus der sie abgeschieden wird, eindeutig definiert ist.
Massgebend für die Grösse der wirksamen"Sperrschichtoberfläche ist im allgemeinen die Stelle des kleinsten Querschnitts innerhalb des schlecht leitenden Teiles des Elektrodensystems, also ent- weder die Grösse der Kontaktfläche zwischen der gut leitenden Elektrode und der Sperrschicht oder die Grösse der Kontaktfläche zwischen der halbleitenden Elektrode und der Sperrschicht oder aber die Grösse der Kontaktfläehe zwischen der halbleitenden Elektrode und dem Zuführungsleiter, denn es beteiligt sich im letztgenannten Falle an der Leitung in der Hauptsache nur jene Säule der halbleitenden
Elektrode, deren Querschnitt der vorgenannten Kontaktfläche zwischen dieser Elektrode und dem
Zuführungsleiter etwa entspricht.
Man hat bereits vorgeschlagen, bei Gleichrichtersystemen der gut leitenden Elektrode am Kontaktende einen geringeren Querschnitt zu geben.
Insbesondere war es bekannt, auf einem Cuprooxyddetektor für eine der Elektroden einen ab- gestumpften Bleikegel als Zuführungsleiter anzubringen. Die Kapazität war in diesem Falle durch die
Oberfläche der unterhalb des Bleikegels noch vorhandenen Graphitschicht bedingt. Eine reproduzier- bare kleine Oberfläche lässt sich auf diese Weise mit einer solchen Graphitschicht sehr schwer erzielen.
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Demgegenüber ermöglicht die Erfindung, die Eigenkapazität eines Elektrodensystems reprodu- zierbar und'äusserst gering zu machen.
Eines der Mittel zur Erreichung dieses Zieles besteht erfindungsgemäss in der Kombination einer zwischen Elektroden von verschiedenen Emissionsvermögen befindlichen Isoliersperrshichte, welche. unabhängig von den Werkstoffen der anliegenden Elektroden gebildet ist, mit einer begrenzten Kontaktfläche von höchstens 10 mm2 für wenigstens einen der die Kapazität des Systems beeinflussenden Teile.
Durch die gesonderte Bildung der Sperrschicht wird eine hohe Genauigkeit in der Bemessung ihrer Dicke gewährleistet und auch die Dimensionierung der Grösse der Kontaktfläche lässt sich mit der erforderlichen Präzision durchführen. Ein nach der Erfindung aufgebautes System hat also den grossen Vorteil, dass die Eigenkapazität vor der Herstellung vollständig bekannt ist und nicht von irgendwelchen unkontrollierbaren Ursachen abhängt.
Es ist zwar für Gleichrichter technischer Wechselströme vorgeschlagen worden, die Sperrschicht gesondert (nicht genetisch aus den Elektroden) herzustellen, dabei spielte jedoch die Eigenkapazität keine Rolle ; auch wurde dabei eine relativ grosse Kontaktfläche benutzt.
Wie oben bereits angedeutet, kann die Begrenzung der Kontaktfläche auf verschiedene Art geschehen, z. B. durch die Ausgestaltung der Endfläche der negativen (gut emittierenden) Elektrode, die unmittelbar an der Sperrschicht anliegt. Ein Beispiel dieser Ausgestaltung ist aus Fig. 1 zu entnehmen.
Dort ist auf das Grundmetall j ! aus Kupfer die halbleitende Elektrode 2 aus Cuprosulfid (Cu2S) durch Pressen aufgebracht. Auf dem Halbleiter bildet man die Sperrschicht 3 durch Aufdampfen einer dosierten Menge Siliziumoxyd (Si0,), z. B. bis zu einer Stärke von 5fit. Auf diese Sperrschicht wird die gut leitende Elektrode 4 aufgebracht, die aus Eisen besteht und einen Kontakt mit kleiner Oberfläche, z. B. 0-25 mm2, hat.
Die Kapazität dieses Systems wird in diesem Fall durch die Stärke der Si0, 7Schicht und die Grösse der Kontaktoberfläche des Eisens 4 bedingt ; diese beiden Werte hat man in der Hand. In der Praxis wird die Kapazität eines solchen Systems, die z. B. 7-5 cm beträgt, vollkommen regelmässig und reproduzierbar in Massenfabrikation für jedes einzelne System erhalten.
Die Abweichungen betragen in der Praxis nur einige Prozente des gewünschten richtigen Wertes.
Als weiteres Beispiel ist in Fig. 2 ein Elektrodensystem beschrieben, bei dem im Gegensatz zur vorhergehenden die Sperrschicht nicht auf der positiven Elektrode (Halbleiter) aufgebracht ist, sondern bei dem sie die negative (gut emittierende) Elektrode, deren Querschnitt klein gehalten ist, an ihrem Ende umgibt. In diesem Falle wird beispielsweise auf eine Messingplatte 9 Selen 10 in flüssigem Zustand aufgebracht und bis zu einer Stärke von 0-03 mm flach ausgestrichen. Das Ganze wird in einen Ofen eingeführt und während einiger Zeit (2-24 Stunden) auf eine Temperatur von etwa 200 C erhitzt. Diese Behandlung dient zur Umwandlung des Selens von der amorphen in die leitende kristallinische Modifikation.
Als elektropositive Elektrode dient ein Eisendraht 11, der an der Unterseite eine Oberfläche von 0. 25 mm2 hat. Diese Fläche und gegebenenfalls noch ein Teil längs der Seitenoberfläche des Drahtes wird mit Sperrschichtmaterial 12 überzogen, das aus Kunstharz, z. B. Polystyren, bestehen kann, wonach der Draht mit der flachen mit Polystyren überzogenen Oberfläche auf dem Selen angeordnet wird.
Wie schon erwähnt, kann jedoch die Stelle engsten Querschnittes auch durch die gilt leitende Zuführung zu der Halbleiterschichte gebildet werden. Ein Ausführungsbeispiel davon ist in Fig. 3 wiedergegeben. Hier handelt es sich um ein Elektrodensystem, bei dem die gut leitende Elektrode 5 (siehe Fig. 3) aus Aluminium besteht. Letzteres wird auf elektrochemischem Wege mit einer aus amorphem bzw. kristallinischem Aluminiumoxyd (ail203) bestehenden Sperrschicht 6 versehen. Für den Halbleiter 7 verwendet man Molybdänsulfid (MoS2), das auf die Sperrschicht gepresst wird.
Zur Beschränkung der Eigenkapazität des Systems ist die Kontaktoberfläche des Zuführungsleiters 8 begrenzt, u. zw. dadurch, dass er aus einem dünnen Kupferdraht besteht, dessen Normalquerschnitt 0-3 3 mm2 nicht übersteigt. Infolge des grossen Widerstandes des Halbleiters 7 kann angenommen werden, dass sich von dieser Schicht 7 praktisch nur jene Säule an der Leitung beteiligt, welche die Fortsetzung des Stromzuführungsleiters 8 bildet, so dass nur die Endfläche dieser Säule die Kapazität beeinflusst. In diesem Fall ist also tatsächlich dieser Stromzuführungsleiter 8 der die Kapazität des Systems beeinflussende Teil, da die Kapazität von der Grösse seiner Kontaktoberfläche abhängig ist.
Die Stärke der Sperrschicht kann vorher festgelegt werden, da man bei elektrochemischer Formierung dieser Schicht ihre Stärke aus dem verwendeten Formierungsstrom und der Zeitdauer berechnen kann, wobei der Wahl des Elektrolyten Rechnung getragen wird. Auch in diesem Falle ist also die Eigenkapazität vollkommen bestimmt.
Wenn man die Kontaktfläche sehr klein wählt, so könnte es eintreten, insbesondere wenn das Elektrodensystem unter Druck zusammengebaut wird, dass die spezifische mechanische Druckbelastung infolge der Kleinheit der Berührungsfläche unzulässig hoch wird, so dass etwa die Sperrschicht verletzt oder vielleicht gar dur, hstossen werden könnte. Es wird ja im allgemeinen, besonders wenn es sich um höhere Frequenzen handelt, nützlieh sein, den Querschnitt der Kontaktfläche kleiner als 10 mm2,
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meist sogar nicht grösser als 0-25 mm2 zu wählen.
Die Gefahr des Durchdrückens kann nun dadurch vollständig ausgeschlossen werden, dass der kontaktbildende Körper, der mit kleinem Querschnitt auf der Unterlage aufruht, in eine Isoliermasse eingebettet ist, deren Grundfläche mit der Kontakt- fläche in einer Ebene liegt, wodurch der Druck auf die Flächeneinheit der Sperrschicht wesentlich herabgesetzt wird. Ausserdem wird dadurch der mechanische Aufbau des Gleichrichters erleichtert.
In einer günstigen Ausführungsform besteht diese Isoliermasse aus Kompound.
Es ist auch vorteilhaft, nicht nur den Kontakt einzugiessen, sondern auch das übrige Elektrodensystem mit einer Gussmasse zu umgeben, wodurch das Ganze mechanisch fester wird.
Es folgt ein Herstellungsbeispiel eines Elektrodensystems mit erfindungsgemässer Isolierumhüllung der kapazitätsbegrenzenden Elektrode (Fig. 4).
Als Halbleiter 1 ist Selen gewählt, das in flüssigem Zustand auf einen z. B. aus Messing bestehenden Metallträger 2 aufgebracht wird, der gleichzeitig als Stromzuführungsleiter für das Selen verwendet wird, das bis zu einer Stärke von etwa 0-03 mm flach ausgestrichen wird. Der Träger mit dem Selen wird in einem Ofen während 2-24 Stunden auf ungefähr 200 C erhitzt, um das Selen in die leitende kristallinische Modifikation überzuführen. Auf dem Selen wird eine z. B. aus Polystyren bestehende Sperrschicht 3 bis zu einer Stärke von 5 u. angebracht.
Die gut leitende Elektrode, die aus einem Eisenstab 4 mit einem an der Unterseite endigenden
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die Kontaktfläche 6 liegt. Das Ganze wird auf der Sperrschicht 3 angeordnet, wobei die Isolierhülle 5 an die Sperrschicht 3 festgeklebt wird.
Es gibt im Rahmen der Erfindung noch andere Ausführungsformen, unter anderem mit mehr als zwei Elektroden, z. B. Dreielektrodensysteme.
Ferner ist es möglich, das ganze in der Zeichnung dargestellte System ausserdem mit einer Isolierhaut zu umgeben, wodurch es frei von äusseren mechanischen und atmosphärischen Einflüssen ist und wodurch ausserdem die Stromzuführungsdrähte an den Sehweissstellen der Elektroden in viel geringerem Masse mechanisch beansprucht werden.
Zur Herstellung der erfindungsgemässen Elektrodensysteme sind verschiedene Wege möglich.
So kann, wie in den früheren Ausführungsbeispielen angegeben, jene Elektrode, deren Kontaktquerschnitt vorwiegend die Eigenkapazität bestimmt, als fester Körper mit genau abgepasster unterer Begrenzungsfläche hergestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die genaue Kalibrierung der Grösse der Kontaktfläche dadurch zu erzielen, dass die Elektrode in flüssigem Zustande aufgebracht wird. Sie kann zu diesem Zweck in Form eines geschmolzenen Metalles, in Form einer Suspension oder kolloidalen Lösung oder in Form einer gelösten chemischen Verbindung aufgebracht werden, aus welcher im Laufe des Herstellungsverfahrens die feste Elektrode mit begrenztem Querschnitt abgeschieden wird.
Die Bemessung der Kontaktfläche kann dabei entweder dadurch erfolgen, dass eine abgepasste kleine Menge der Flüssigkeit auf die Unterlage aufgetropft wird, so dass durch die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit die Grösse der Berührungsfläche festgelegt ist, oder es kann rings um die beabsichtigte Kontaktoberfläche eine feste Hülle angeordnet werden, in welche die Flüssigkeit eingegossen wird, aus der sich sodann die Elektrode abscheidet. Dieses Verfahren soll durch einige Ausführungsbeispiele erläutert werden.
Als halbleitende (elektronegative) Elektrode 1 (Fig. 5) ist Cuprosulfid (CuS) gewählt. Dieses Material ist durch Pressen auf einen Messingträger 2 aufgebracht. Darauf wird der Halbleiter mit einer Polystyrensperrschicht 3 überzogen, was beispielsweise dadurch erfolgen kann, dass dieser in ein Bad getaucht wird, das in Benzin gelöstes Sperrschichtmaterial enthält und aus diesem langsam herausgezogen wird. Entsprechend der zu sperrenden Spannung kann eine Stärke von 1 bis 10 ! L verwendet werden.
Auf der Sperrschicht wird ein Röhrchen 4 aus Quarz angeordnet, dessen Bohrung nach der Unterseite derart konisch verläuft, dass sich bei 5 eine Öffnung von etwa 0125 mm2 befindet.
Man kann dieses Röhrchen gut an die Sperrschicht 3 festheften, wenn man das Material der Sperrschicht selbst als Klebemittel benutzt. Gegebenenfalls ist dazu eine Erhitzung auf z. B. gut 100 C erforderlich. In dieser Bohrung wird der Stromzuführungsleiter 6 angeordnet, wonach das Röhrchen 4 mit einer Metallsuspension 7, z. B. einer Suspension von Platin in Alkohol, oder mit einer kolloidalen Graphitlösung (z. B."Aquadag") vollgegossen wird. Nach Eindampfen des Suspensionsmittels ist eine mechanische und elektrische Verbindung der gut leitenden Elektrode 7 mit dem Stromzuführungsdraht 6 entstanden. Statt einer Metallsuspension kann eine Lösung einer chemischen Verbindung eines Metalls verwendet werden, wobei die chemische Verbindung reduziert wird. Es kann z. B. eine der bekannten Silberlösungen, z.
B. eine ammoniakalische Silberlösung, der Glucose zugesetzt ist, benutzt werden.
Das Röhrchen 4 kann gegebenenfalls nach Anbringen der gut leitenden Elektrode entfernt werden.
Das Verfahren ist jedoch keineswegs auf Elektrodensysteme mit Cuprosulfid als Halbleiter be- schränkt. Man kann beispielsweise auch entsprechend Fig. 6 Selen als Halbleiter benutzen. In diesem Falle wird beispielsweise auf einer Messingplatte 8 eine abgepasste Menge flüssigen Selens 9 angebracht,
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die nach Abkühlen mit einer Sperrschicht aus Kunstharzmaterial 10 überzogen wird, die auch die Messingseite, auf der sich das Selen befindet, wie in der Zeichnung angegeben ist, bedeckt.
Der Träger mit dem Selen und der darauf befindlichen Sperrschicht wird nun in einen Ofen eingeführt und während einiger Zeit (im allgemeinen 2-24 Stunden) auf eine Temperatur von etwa 1000 C erhitzt. Dieser Vorgang bezweckt, das Selen in die leitende kristallinische Modifikation überzuführen. Wenn für die Sperrschicht Polystyren als Kunstharz verwendet wird, so hat die Erhitzung ausserdem den Vorteil, dass das Polystyren weiter durchpolymerisiert werden kann, wodurch die dielektrischen Eigenschaften noch günstiger werden.
Auf die Sperrschicht wird nun in Höhe des Selenkugelteilchens 9 eine abgepasste Menge Rose'schen Metalles 11 aufgebracht. Die Menge 11 wird mit der Sperrschicht nun über eine beschränkte Oberfläche (z. B. über 0-25 mm2) in Berührung sein. Diese Oberfläche kann vorher bestimmt werden und ist von der Oberflächenspannung und der Materialmenge abhängig.
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Erstarrung des Elektrodenmaterials eine gute mechanische und elektrische Verbindung gewährleistet.
Die oben beschriebenen Beispiele beziehen sich auf die Herstellung eines Elektrodensystems, bei dem die halbleitende Elektrode in einer dünnen Schicht auf einer flachen Platte angebracht ist, während die gut leitende Elektrode in einer Hülle oder von einem abgepassten Tropfen gebildet wird. Im folgenden wird die Herstellung eines Systems nach der Erfindung an Hand der Fig. 7 beschrieben, in der Selen, also die halbleitende Elektrode, in einer perlenförmigen Hülle angebracht wird.
In einer Steatitperle 13 mit einer zylindrischen Bohrung von etwa 0-5 mm wird Graphit 14 bis zu einem Abstand von etwa 0-03 mm von dem oberen Rande angebracht. Dieser Graphit dient zur Erzielung eines guten Kontaktes mit dem auf ihm anzubringenden Selen 15. Bei 16 wird der Graphit auf elektrolytischem Wege verkupfert, um einen Zuführungsdraht an ihm festlöten zu können.
Darauf wird die Höhlung der Perle oberhalb des Graphits mit flüssigem Selen 15 gefüllt. Zur Erzielung einer gleichmässigen Stärke und einer glatten Oberfläche der Selenschicht wird dieses, wenn es noch flüssig ist, beispielsweise mittels eines Rasiermessers flach abgestrichen.
Auf dem Selen und gegebenenfalls über die ganze Oberfläche der Perle wird nun durch Eintauchen in eine Lösung von Polystyren in Benzin eine Sperrschicht 17 gebildet.
. Nach dieser Behandlung wird das Ganze auf etwa 200 C erhitzt, wie im letztgenannten Beispiel beschrieben worden ist.
Auf die Sperrschicht 17 wird die Gegenelektrode 18 dadurch aufgebracht, dass eine abgepasste Metallmenge mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Wood'sches Metall, angebracht wird, in welches der Leiter 19, solange der Tropfen noch flüssig ist, hineingesteckt wird, der also beim Erstarren mit festgeklemmt wird.
In den beschriebenen Beispielen ist eine Perle zur Umhüllung des Elektrodenmaterials verwendet, welche entweder den Halbleiter oder die gutleitende Elektrode umschliesst.
Es ist ersichtlich, dass auch die beiden Elektroden, sowohl die gut emittierende als auch die halbleitende, je in einer Perle montiert werden können. Die beiden Perlen können dann z. B. mit Polystyren aneinander geklebt werden. Hiedurch wird nicht nur eine sehr günstige Isolierung zwischen den beiden Elektroden, sondern auch eine gute mechanische Verbindung erhalten, da Polystyren ein vorzügliches Haftmittel ist.
Um das ganze noch fester zu machen und auch um die Stromzuführungsleiter mechanisch gut zu befestigen, wird ein solches Elektrodensystem, gegebenenfalls nachdem es in ein Röhrchen eingesetzt worden ist, mit Kompound abgegossen. Es liegen dann also die Zuführungsdrähte in der Kompoundmasse, wodurch die Haftpunkte mit den Elektroden von mechanischen Kräften entlastet werden.
Die sich auf die Fig. 5 und 7 beziehenden Beispiele zeigen beide eine aus Isolierstoff bestehende Perle. Es ist aber ganz gut denkbar, dass eine aus leitendem Stoff bestehende Hülle verwendet wird.
Die Wandstärke dieser Hülle darf in diesem Fall nicht zu gross sein (ungefähr 0. 1 mm), da sie sonst die Eigenkapazität ungünstig beeinflussen würde. Die Hülle wird dann z. B. als ein Hohlkegel ausgebildet, mit einer kleinen Bohrung von z. B. 0-5 mm im Gipfel, der auf der Sperrschicht angeordnet wird.
Es ist auch möglich, statt Zweielektrodensysteme, wie in den Beispielen beschrieben, z. B. Dreioder Mehrelektrodensysteme herzustellen, wenn man in der Zwischenschicht gitterförmige Elektroden anbringt.
Im Rahmen der Erfindung sind auch noch andere Herstellungsweisen von Elektrodensystemen möglich.
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