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Stromleiter mit stark gekrümmter Stromspannungskennlinie zur Verwendung in Regeleinrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromleiter mit stark gekrümmter Stromspannungskennlinie, der zur Verwendung in Regeleinrichtungen bestimmt ist und eine aus einem Halbleiterkristall bestehende Scheibe enthält, auf deren einer Seite eine Anschlussfahne mittels eines zur Bildung von p-n-Übergängen geeigneten, während des Lötvorgangs in den Halbleiter einlegierenden Lotes befestigt ist.
Bei den Regeleinrichtungen, in denen der Stromleiter verwendet werden soll, ist in der Verbindungsleitung von einer Lichtmaschine zu einer an diese angeschlossenen Batterie ein Widerstand vorgesehen, über den der Lichtmaschinenstrom geführt ist. Parallel zu diesem Widerstand soll der Stromleiter liegen.
Er muss eine stark gekrümmte Stromspannungskennlinie haben, da er bei kleinen Werten des vom Lichtmaschinenlaststrom erzeugten Spannungsabfalls einen geringen Leitwert haben soll, während er erst dann einen hohen Strom zu führen vermag, wenn der am Widerstand infolge des in ihm fliessenden Lichtmaschinenstroms entstehende Spannungsabfall einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Bei diesem Wert des Lichtmaschinenstroms setzt der durch den Stromleiter gehende Teilstrom eine Vorrichtung in Tätigkeit, durch welche der Erregerstrom der Lichtmaschine stark erniedrigt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die am Widerstand in der Batterieladeleitung entstehende Wärme untragbar hohe Werte annimmt, wenn man als Stromleiter Selengleichrichter oder Kristalldioden verwendet, deren Elektrodenspannung oberhalb von 0, 4 V bei einem in der Durchlassrichtung fliessenden Strom von 0, 3 A liegt.
Durch Vergrösserung der Gleichrichterflächen kann man zwar bei den angegebenen Stromwerten niedrigere Elektrodenspannungen erreichen. In diesem Falle werden jedoch die Gleichrichter verhältnismässig gross und teuer, so dass der wirtschaftliche, durch Verwendung eines Stromleiters mit gekrümmter Stromspannungskennlinie erzielbare Vorteil gegenüber den sogenannten Dreielementreglern, bei denen zur Erzielung eines starken Abfalls der Regelkennlinie von einem vorgegebenen Lichtmaschinenstrom ab ein besonderes Relais verwendet wird, weitgehend wieder aufgehoben wird.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zu Grunde, dass bei Stromleitern, die zur Verwendung in Regeleinrichtungen der beschriebenen Art bestimmt sind, nur auf die in Durchlassrichtung des Stromleiters entstehenden Widerstandswerte geachtet werden muss, während die in der entgegengesetzten Stromrichtung auftretenden Widerstandswerte ohne Interesse sind, da die Stromleiter in den genannten Regeleinrichtungen nur in Durchlassrichtung betrieben werden.
Die zur Erzielung des beabsichtigten Regeleffektes erforderliche stark gekrümmte Stromspannungskennlinie mit niedrigen Widerstandswerten bei verhältnismässig hohen Durchlassströmen erreicht man bei einem Stromleiter der beschriebenen Art gemäss der Erfindung dadurch, dass die Halbleiterscheibe mit ihrer von der Anschlussfahne abgekehrten Seite auf einem Metall befestigt ist, dessen Atome die Ausbildung des p-n-Übergangs zwar erschweren und die Sperrwirkung verschlechtern können, jedoch die Steilheit der Kennlinie des Stromleiters im Durchlassbereich stark erhöhen, ohne auf die erforderliche Krümmung der Stromspannungskennlinie nachteilig zu wirken.
Als besonders zweckmässig hat es sich erwiesen, ein aus n-Germanium bestehendes Halbleiterplättchen einseitig auf einer Kupferscheibe mittels Zinn festzulöten und sowohl zur Befestigung der aus Kupfer bestehenden Anschlussfahne auf der andern Seite des Halbleiterplättchens als auch zur Bildung des p-n-Übergangs Indium zu verwenden, wobei das Verlöten des Halbleit2iplättchens mit der Kupferscheibe einerseits und mit der Anschlussfahne anderseits sowie die
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Ausbildung des p-n-Übergangs in einem einzigen Arbeitsgang durch Aufheizen auf etwa 5200C bewirkt wird.
Es sind bereits für Gleichrichterzwecke bestimmte Halbleiteranordnungen bekannt geworden, bei denen zur Erzielung eines p-n-Übergangs in einem Halbleiterkörper ein Dotierungsmetall vom entgegen- gesetzten Leitfähigkeitstyp derart einlegiert ist, dass das Metall an einer zum Anlöten eines Anschlusses geeigneten Oberflächenstelle eine kleine Kuppe bildet. Bei der Herstellung derartiger Halbleiter geht man in der Regel von sehr stark gereinigtem Halbleiterwerkstoff und ebenfalls sehr stark gereinigten Do- tierungswerkstoffen aus und versucht bei der weiteren Verarbeitung das Eindringen von Verunreinigungen in die p-n-Grenzschicht zu verhindern, weil sich sonst eine schlechte Gleichrichterwirkung und ein zu grosser Leckstrom in der Sperr-Richtung ergibt.
In der Durchlassrichtung haben diese Halbleiteranordnun- gen ebenfalls nur eine geringe Leitfähigkeit und sind deshalb für eine Stromregelung von Lichtmaschinen, bei der sie einen Strom von mindestens 0, 3 A führen müssen, nicht verwendbar.
In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung zwei Stromleiter dargestellt. Es zeigen Fig. 1 das erste Beispiel in einem Längsschnitt in stark vergrösserter Darstellung, Fig. 2 einen andern Stromleiter ebenfalls im Längsschnitt und stark vergrössert, während in Fig. 3 die Stromspannungskennlinie der Stromleiter nach Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
Der Stromleiter nach Fig. 1 hat einen aus einer Kupferplatine durch Fliesspressen hergestellten Becher 10 von etwa 8 mm Höhe und 6 mm Durchmesser. Innen am Becherboden 11 ist mittels einer Zinnscheibe 12 eine etwa 0, 3 mm starke Halbleiterscheibe 13 festgelötet. Diese besteht z. B. aus niederohmi- gem n-Germanium, das auf etwa 107 Atome nur 1 Fremdatom enthält, wodurch das Germanium n-leitend wird und einen spezifischen Widerstand von etwa 0, 1 Q cm aufweist. Dabei ist bekanntlich die durch Einlegierung von Indium erzielbare Sperrwirkung an den p-n-Übergängen verhältnismässig schlecht.
Auf die vom Becherboden abgekehrte Seite der Germaniumscheibe 13 ist mittels einer Indiumpille 14 ein Kupferdraht 16 festgelötet, der durch die zentrale Bohrung einer Isolierscheibe 15 aus dem Becher herausragt und an seinem sich unmittelbar an die Isolierscheibe 15 anschliessenden Abschnitt 17 geriffelt ist. Durch diese Riffelung wird ein guter Sitz des Anschlussdrahtes erzielt, wenn die offene Stirnseite des Bechers 10 mit einem erhärtenden Giessharz 18 verschlossen wird. Die Haltbarkeit kann durch eine am Innenumfang entlang dem Becherrand angebrachte weitere Riffelfläche 20 erhöht werden.
Das Zusammenlöten der beschriebenen Anordnung erfolgt durch Erhitzen auf etwa 5200C unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum, wobei die zwischen der Halbleiterscheibe 13 und dem Boden des Bechers befindliche Zinnschicht 12 schmilzt und gleichzeitig die als Lötmittel für den. Anschlussdraht 16 dienende Indiumpille so weit in die Germaniumscheibe einlegiert, dass sich dort die mit 19 angedeutete p-n-Schicht bildet.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorher beschriebenen dadurch, dass der Anschlussdraht 26 in der Nähe der Randzone des Bechers 22 eine Abkröpfung 27 aufweist, durch die eine sichere Verankerung des Drahtes im Giessharz 28 erzielt wird. Zur Verbesserung der Verankerung ist der Becher entlang seinem stirnseitigen Rand leicht nach innen gebogen und verhindert dadurch, dass der Giessharzpfropfen 28 aus dem Becher 22 herausgezogen werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie der Stromleiter nach Fig. 1 und 2 verläuft bis zu etwa 0, 1 V mit geringem Anstieg und zeigt bei etwa 0, 2 V einen Strom von 0, 1 A in der Durchlassrichtung. Bei einer angelegten Spannung von 0, 25 V vermag der Gleichrichter einen Strom von 0, 3 A zu führen. Dieser hohe Stromwert kommt im wesentlichen dadurch zustande, dass bei dem beschriebenen Aufbau nur sehr niedrige Übergangswiderstände an den Lötstellen auftreten und überdies bei dem das Einlegieren und Verlöten bewirkenden Erhitzungsvorgang aus dem Kupferbecher 10 bzw. 22 sowie dem Kupferdraht 16 bzw. 26 Kupfer atome in grösserer Anzahl in die Germaniumscheibe eindiffundieren und die Leitfähigkeit des Germaniums nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erheblich erhöhen.
Gleichzeitig können die eindiffundierten Kupferatome aber auch die Ausbildung des p-n-Übergangs erschweren und die Sperrwirkung des Stromleiters in der entgegengesetzten Stromrichtung verschlechtern. Dies ist jedoch bei Verwendung des Stromleiters in Regeleinrichtungen ohne Bedeutung, weil der Stromleiter dort nicht in Sperr-Richtung betrieben wird, während die durch Eindiffundieren von Kupferatomen erhöhte Steilheit der Kennlinie im Durchlassbereich es möglich macht, bereits mit kleinen Widerständen in der Ladestromleitung der Lichtmaschine den gewünschten Regeleffekt zu erzielen.
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eignet sich Indium-Antimonid [In Sb], das mit Cadmium legiert wird, besonders gut.
Als Werkstoff für den Becher kann Kupfer und als Lötmittel zur Befestigung der Halbleiterscheibe Zinn wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
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Zweckmässigerweise enthält das zur Befestigung der Anschlussfahne auf der Kristallscheibe dienende
Lötmetall einen erheblichen Kupferanteil, der mindestens 1/100, höchstens jedoch 4/5 desLötwerkstoffs beträgt, während der Rest des Lötwerkstoffs aus Indium mit einer Reinheit von mindestens 99, 999 % be- steht. Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit einem Kupferanteil im Lötmetall erzielen, der 5-25 % beträgt.
Auf Grund längerer Untersuchungen hat es sich als besonders zweckmässig herausgestellt, bei der Her- stellung der oben beschriebenen Stromleiter als Löt- und Legierungswerkstoff eine Indiumpille 14 zu ver- wenden, deren Reinheitsgrad mindestens 99, 999 % beträgt. Bei praktisch ausgeführten Beispielen hatte die
Indiumpille vor dem Einlöten die Gestalt eines Zylinders mit 1, 8 mm Durchmesser und eine Höhe von l, 5mm. DerAnschlussdrahtl6bestanddabeiausElektrolytkupferund hatte einen Durchmesser von 0, 8 mm.
Wenn die Indiumpille und der Anschlussdraht zusammen mit dem beschriebenen Germaniumplättchen 13 und der Zinnfolie 12 in den Kupferbecher 10 eingesetzt und der Anschlussdraht mit Hilfe eines in der
Zeichnung nicht dargestellten Graphittiegels gleichachsig zum Kupferbecher 10 gehalten wird, kann man die ganze Anordnung zum Zusammenlöten und zur Durchführung des Legierungsvorgangs in einen auf
5300C aufgeheizten Vakuumofen einbringen. Bei dieser Temperatur schmilzt das Indium, so dass der vor- her mit seiner flachen Stirnseite auf der oberen Kreisfläche der Indiumpille aufsitzende Anschlussdraht in die Pille leicht einzudringen vermag, wobei das Indium an dem senkrecht stehenden Anschlussdraht ge- ringfügig hochsteigt und der Draht langsam gegen die Oberseite des Germaniumplättchens 13 absinkt.
Gleichzeitig löst das schmelzflüssig gewordene Indium aus der Germaniumscheibe 13 Teile des Germa- niums heraus und vermischt sich mit diesen. Als ausserordentlich wichtig zur Erzielung eines niedrigen
Innenwiderstandes des nichtlinearenStromleiters ist beobachtet worden, dass das Indium bis zu einer Tie- fe von etwa 0, 2 mm aus dem im Indium steckenden Abschnitt des Kupferdrahtes eine ziemlich grosse
Menge Kupfer löst und sich mit diesem vermischt. Diese Kupferteile dringen bis in die Grenzschicht zwi- schen dem jeweils noch in fester Form vorhandenen Germanium und der schmelzflüssigen Germanium-In- dium-Legierung vor. In Fig. 4 ist massstäblich getreu ein 16-fach vergrösserter Längsschnitt durch eine derartige Indium-Lötstelle dargestellt.
Wie man deutlich erkennen kann, verbleibt nach Abschluss des
Löt-Legierungsvorgangs von dem 0, 8 mm starken Kupferdraht, dessen ursprünglicher Umriss mit unter- brochenen Linien angedeutet ist, ein nur noch etwa 0, 45 mm starker, nach oben auf den ursprünglichen Durchmesser des Kupferdrahtes sich verdickender Kern 16b. Aus den angegebenen Abmessungen von
1, 8 mm Durchmesser und 1, 5 mm Höhe und derAbnahme des Drahtdurchmessers auf etwa 0, 45mm Durchmesser lässt sich errechnen, dass in dem dargestellten Beispiel etwa 0, 6 mms Kupfer in Indium gelöst wurde, während das Volumen der Indiumpille vor dem Legierungsvorgang 3, 9 mms betrug.
Dies ergibt ein Mischungsverhältnis von reinem Indium zu dem nach dem Legierungsvorgang im Indium gelösten Kupfer von 6, 5 : I, während der Anteil des gelösten Germaniums demgegenüber zwar kleiner ist, aber noch immerhin 0, 3 mm3 beträgt. Um die gewünschten hohen Flussstromsteilheiten von etwa 20 A/V zu erzielen, ist es notwendig, dass in der fertigen Indiumlötstelle auf 10 Teile Indium mindestens 1 Teil Kupfer, jedoch nicht mehr als 50 Teile Kupfer, enthalten sind.
Es leuchtet ein, dass man unter Verwendung der oben geschilderten Ergebnisse zur Durchführung des gleichzeitig erfolgenden Löt- und Legierungsvorgangs auch von einer Pille ausgehen kann, die bereits vorher aus einer Indium-Kupfer-Legierung besteht und deren Mischungsverhältnis innerhalb der oben angegebenen Grenzen liegt. Diese Pille kann dann zum Anlöten von Anschlussdrähten, die aus Werkstoffen bestehen, die sich bei den bis auf etwa 5300C ansteigenden Behandlungstemperaturen im Indium nicht lösen, beispielsweise zum Anlöten von Nickeldrähten verwendet werden. Auch in diesem Falle bewirken nämlich die in die Grenzschicht zwischen dem flüssigen Lötmittel und dem noch festen Germanium eindringenden Kupferatome die gewünschte hohe Leitfähigkeit des Stromleiters
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Stromleiter fürregel-oder Stabilisierungszwecke mit stark gekrümmter Stromspannungskennlinie zur Verwendung in Regeleinrichtungen, der eine aus einem Halbleiterkristall bestehende Scheibe enthält, auf deren einer Seite eine Anschlussfahne mittels eines zur Bildung von p-n-Übergängen geeigneten Lotes befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (13) mit ihrer von der Anschlussfahne abgekehrten Seite auf einem Metall befestigt ist, dessen Atome die Ausbildung des p-n-Übergangs erschweren und die Sperrwirkung verschlechtern, jedoch die Kennliniensteilheit des Stromleiters im Durchlassbereich stark erhöhen.