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Verwendung eines Halbleiters mit stark gekrümmter
Stroms pannun gs kennlini e Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Halbleiters mit stark gekrümmter Stromspannungskennlinie nach Patent Nr. 212439 zur Erzeugung einer praktisch konstanten Spannung, die in einem Stromkreis mit veränderlicher Betriebsspannung liegt.
Die im Stammpatent beschriebenen Halbleiter enthalten einen hohen Anteil eines Fremdstoffes in der durch Einlegieren von Dotierungsmetallen entstehenden Legierungszone und weisen im Bereich zwischen 0, 2 und 0, 3 V in ihrer Stromspannungskennlinie einen stark ausgeprägten Knick auf. Wenn die an die Elektroden des Halbleiters in der Durchlassrichtung angelegte Spannung von 0, 3 V auf beispielsweise 0, 35 V gesteigert wird, so wächst der den Halbleiter durchfliessende Strom von 0, 3 A auf 1, 5 A. Die sich hiebei ergebende grosse Steilheit der Stromspannungskennlinie von 24 A/V macht es möglich, Halbleiter dieser Art für Regelungs- und Stabilisierungsschaltungen zu verwenden.
Wenn in diesen Schaltungen von einer in ihrer Grösse in weiten Grenzen schwankenden Betriebsspannung eine sich möglichst wenig ändernde Vergleichsspannung abgeleitet werden soll, so kann man dazu den Halbleiter in Reihe mit einem Widerstand schalten und am Halbleiter die Vergleichsspannung abnehmen. In diesem Fall werden die durch die Schwankungen der Betriebsspannung verursachten Änderungen der Vergleichsspannung umso kleiner, je grösser die Steilheit des Halbleiters ist.
Eine praktisch unendlich grosse Steilheit der Kennlinie eines Halbleiters der eingangs beschriebenen Art lässt sich gemäss der Erfindung erzielen, wenn der den Halbleiter durchfliessende Strom so hoch eingestellt wird, dass die durch Eigenerwärmung hervorgerufene Betriebstemperatur des Halbleiters um mindestens 200 C, vorzugsweise um 300 C über der Umgebungstemperatur liegt.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt : Fig. l ein Halbleitergerat im Längsschnitt, Fig. 2 Stromspannungs-
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ausgerüsteten Regeleinrichtung für die von einer Kraftfahrzeug-Lichtmaschine erzeugte Spannung.
Das Halbleitergerät nach Fig. 1 hat einen aus einer Kupferplatine durch Fliesspressen hergestellten Becher 10 von etwa 7 mm Höhe und 6 mm Durchmesser. Innen am Becherboden L1 ist mittels einer Zinnscheibe 12 eine etwa 0, 3 mm starke Halbleiterscheibe 13 aus n-Germanium festgelötet. Zur Herstellung derHalbleiterscheibe wird vonhochgereinigtemGermanium ausgegangen, das auf10'- 1010 Germanium- atome nur höchstens ein Fremdatom enthält. Dieses Germanium wird unter Zugabe von Antimon in einem Tiegel geschmolzen und erhält durch das zugegebene Antimon n-Leitfähigkeit.
Dann wird in bekannter Weise aus der Schmelze ein zylinderförmiger Einkristall gezogen, der auf je 2, 5. 106 Germaniumatome ein Antimonatom enthält und daher einen verhältnismässig niedrigen spezifischen Widerstand von etwa 0, 1 Ohm. cm hat. Durch quer zur Längsachse des Kristalls geführte Sägeschnitt werden sodann 0, 3 mm starke Scheiben 13 gewonnen. Auf der vom Becherboden 11 abgekehrten Seite der Germaniumscheibe 13 ist mittels einer Indiumpille 14 ein Kupferdraht 16 festgelötet, der durch die zentrale Bohrung einer Isolerscheibe 15 hindurchgeführt ist und aus dem Becher herausragt. Der über der Scheibe 15 befindliche Hohlraum ist mit einer Vergussmasse 17 ausgefüllt.
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Das Zusammenlöten der beschriebenen Anordnung erfolgt in einem einzigen Arbeitsgang durch Er- hitzen auf etwa 520 - 5300 C unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum, wobei die zwischen der Halb- leiterscheibe 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 i sich dort die mit 19 angedeutete p-n-Schicht bildet.
Bei diesem Löt- und Legierungsvorgang löst die ursprünglich in Form eines Zylinders von 1, 8 mm
Durchmesser und 1, 5 mm Höhe auf die Halbleiterscheibe 15 aufgesetzte Indiumpille, die einen Reinheits- grad von 99, 999 % hat, aus dem der Germaniumscheibe zugekehrten Endabschnitt 16a des Anschlussdrah- tes 16 etwa 0, 6 mm 3 Kupfer heraus, das bis in die bei 19 angedeutete Grenzschicht vordringt und dort eine hohe Leitfähigkeit erzeugt. Ausserdem löst das schmelzflüssige Indium bei den angegebenen Legie- rungstemperaturen aus der Germaniumscheibe Germaniumatome, die sich ebenfalls mit dem Indium le- gieren.
Da das Volumen der Indiumpille bei den angegebenen Abmessungen vor dem Legierungsvorgang etwa 3, 9 mms beträgt, ergibt sich ein Legierungsverhältnis des reinen Indiums zu dem nach dem Legie- rungsvorgang im Indium gelösten Kupfer von 6, 5 : 1, während der Anteil des gelösten Germaniums demgegenüber zwar kleiner ist, aber immerhin noch ü, 3 mm 3 beträgt. Hiedurch ergibt sich einerseits, dass die nach dem Erkalten aus einer Indium-Kupfer-Germanium-Legierung bestehende Lötpille 14 einen wesentlich höheren Schmelzpunkt hat, als er sich bei reinem Indium ergeben würde, anderseits wird eine sehr hohe Fluss-Stromsteilheit des Stromleiters erzielt, wie die Kennlinie nach Fig. 2 erkennen lässt.
Die dort mit einer unterbrochenen Linie angegebene Kennlinie A ist in der Weise gemessen worden, dass durch den Stromleiter nach Fig. l jeweils für die Zeit von etwa 1 sec ein Strom J von den angegebenen Werten hindurchgeschickt und der zwischen dem Anschlussdraht 16 und demKühlkörperlOentstehendeSpannungs- abfall U gemessen wurde.
Dabei ergaben sich folgende Messwerte :
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<tb>
<tb> J=ü, <SEP> lA <SEP> U <SEP> =0. <SEP> 24 <SEP> V <SEP>
<tb> J <SEP> =0. <SEP> 2 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 27 <SEP> V
<tb> J <SEP> =0, <SEP> 3 <SEP> A <SEP> U <SEP> =0, <SEP> 29 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> A <SEP> U <SEP> =0, <SEP> 30 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 1 <SEP> A <SEP> U <SEP> =0, <SEP> 32 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 2 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 5 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 10. <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> V
<tb>
Nach der Erfindung soll der Stromleiter in der Weise betrieben werden, dass der den Halbleiterkörper durchfliessende Dauerstrom im Halbleiter mindestens eine Übertemperatur von 200 C, vorzugsweise von 30 C gegenüber der Umgebungstemperatur erzeugt.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass man dann mit einem Halbleiter der beschriebenen Art die in Fig. 2 mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Kennlinie B erreichen kann, die wesentlich steiler ist als die bei intermittierender Belastung entstehende Kennlinie A.
Bei Stromwerten J, die grösser sind als 1 A, kann man sogar eine unendlich grosse Steilheit erreichen, wenn man zur Erzielung der oben angegebenen Übertemperaturen, die für. den Stromübergang von der p-zur n-Zone im Halbleiter zur Verfügung stehende Fläche klein genug macht und ausserdem dafür sorgt, dass der Kühlkörper nur verhältnismässig kleine Wärmemengen abzuführen vermag.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die für den Stromübergang zur Verfügung stehende Kreisfläche bei etwa 1, 8 mm Durchmesser einen Querschnitt Q von rund 2, 5 mm 2. Die zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende äussere Oberfläche 0 des als Kühlkörper wirkenden Bechers 10 ist bei denangegebenen Massen etwa 160 mm Bei diesen Werten ergibt sich ein Produkt P aus Oberfläche 0 und Querschnittsfläche Q von P = 2, 5. 160 = 400 mm. Es hat sich gezeigt, dass die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie B mit einer oberhalb von 1 A praktisch unendlich grossen Steilheit erzielt wird, wenn das Produkt P = Q. 0 höchstens 500, vorzugsweise jedoch 300 - 400 mm4 beträgt.
Bei der inFig. 3 im Schaltbild dargestellten Anlage sind zwei Halbleiter 30 und 31 der in Fig. 1 wie- dergegebenen Art so verwendet, dass an jedem dieser Halbleiter ein Spannungsabfall entsteht, der auch bei stark wechselnder Betriebsspannung praktisch konstant bleibt. Die Anlage enthält auch zwei Transistoren 40 und 41, von denen der mit 40 bezeichnete als p-n-p-Leistungstransistor ausgebildet ist und mit seiner Kollektorelektrode K an die Nebenschlussfeldwicklung F der Gleichstromlichtmaschine G angeschlossen
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ist. Die Feldwicklung F ist mit ihrem andern Wicklungsende an die mit der Minusbürste a verbundene Minusleitung 42 angeschlossen.
Die Emitterelektrode E des Leistungstransistors 40 liegt über dem Ger- maniumhalbleiter 30 an der mit der Plusbürste b der Lichtmaschine verbundenen Plusleitung 44. Von der Emitterelektrode zweigt ausserdem eine Leitung 45 ab, die über einen Widerstand 46 zur Basiselektrode des zweiten Transistors 41 führt. Dieser Transistor dient zur Steuerung des Leistungstransistors und ist im Gegensatz zum Leistungstransistor 40 vom n-p-n-Typ ud liegt mit seinem Emitter El an einem verhältnismässig niederohmigen Spannungsteiler, der von einem an die Minusleitung 42 angeschlossenen Widerstand 48 und einem an die Plusleitung 44 angeschlossenen Widerstand 49 gebildet wird. Mit dem Kollektor Kl des Steuertransistors 41 ist die Basis des Leistungstransistors 40 unmittelbar verbunden.
Die Regeleinrichtung arbeitet folgendermassen : Wenn die Lichtmaschine G aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, so verursacht das in ihren Eisenteilen verbliebene magnetische Restfeld eine kleine Spannung, die jedoch gross genug ist, dass der Leistungstransistor 40 einen Erregerstrom Je über die Feldwicklung F zu führen vermag. Die hiebei entstehende Verstärkung des Magnetfeldes bewirkt eine Erhöhung der an den Klemmen a und b auftretenden Lichtmaschinenspannung, die bei genügender Antriebsdrehzahl sehr rasch so weit ansteigt, dass sie die Ladespannung von etwa 12, 6 V der bei 50 angedeuteten Sammlerbatterie der Lichtanlage erreicht.
Sobald diese Spannung geringfügig überschritten wird und etwa 13, 5 V erreicht, wird der Leistungstran- sistor 40 zusammen mit dem Steuertransistor 41 kurzzeitig in seinen Sperrzustand gebracht, so dass der Erregerstrom Je rasch zurückgeht und die Lichtmaschinenspannung absinkt. Diese Sperrung des Leistungstransistors kommt dadurch zustande, dass die am Halbleiter 31 entstehende praktisch konstant bleibende Spannung bei ansteigender Lichtmaschinenspannung einen Wert von etwa 0, 3 V beibehält, während das Potential der Emitterelektrode des Steuertransistors 41 mit der Lichtmaschinenspannung ansteigt.
Das Verhältnis der Widerstände 48 und 49 ist so gewählt, dass bei der gewünschten Sollspannung von 13,5 V das Emitterpotential einen Wert erreicht, bei dem der Steuertransistor nicht mehr in seinem stromleitenden Zustand gehalten werden kann und daher auch den Leistungstransistor 40 sperrt. Sobald jedoch die Lichtmaschinenspannung wegen des fehlenden Erregerstromes geringfügig absinkt, wird der Steuertransistor 41 wieder stromleitend, weil dann sein Emitterpotential kleiner als das unverändert geblieben Basispotential wird. Durch den dann einsetzenden Kollektorstrom des Steuertransistors 41 wird der Leistungstransistor ebenfalls wieder stromleitend. Sein über die Feldwicklung F gehender Kollektorstrom bewirkt dann einen erneuten Anstieg der Lichtmaschinenspannung, so dass das beschriebene Spiel sich wiederholen kann.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verwendung eines Halbleiters mit stark gekrümmter Stromspannungskennlinie nach Patent Nr. 212439 zur Erzeugung einer praktisch konstanten Spannung, der in einem Stromkreis mit veränderlicher Betriebsspannung liegt, gekennzeichnet durch eine derartige Einstellung des den Halbleiter durchfliessenden Stromes, dass die durch Eigenerwärmung hervorgerufene Betriebstemperatur des Halbleiters um mindestens 200 C, vorzugsweise 300 C über der Umgebungstemperatur des Halbleiters liegt.