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Halbleiterbauelement
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Anforderungen entsprechend ausgebildet sein.
Es kann auch eine zusätzliche Vorrichtung zur Beheizung des Elementes vorgesehen werden ; in den meisten Fällen ist eine zusätzliche Heizung jedoch nicht erforderlich. Die Borplättchen können z. B. als
Scheiben von ein- oder polykristallinen Borstäben abgeschnitten und dann anschliessend durch Schleifen, Ätzen und Polieren nachbehandelt werden. Sie können auch in den erforderlichen Abmessungen erschmolzen werden.
Dünne Borschichten kann man z. B. auch erhalten durch Zersetzen einer Borverbindung, z. B. eines Borhalogenids, an einem erhitzten hochschmelzenden Metall, wie Tantal. Dabei dient das Metall, auf dem abgeschieden wird, zugleich als eine Elektrode. Die Abscheidung des Bors kann auch aus Diboran und bzw. oder Borhalogeniden gegebenenfalls im Gemisch mit Wasserstoff erfolgen.
Auch folgendes Verfahren kann angewendet werden : Eine dünne Platte aus geeignetem Material, z. B.
Bornitrid, wird mit einer Reihe von Bohrungen versehen. Die Platte wird in eine Borschmelze eingetaucht und anschliessend herausgezogen. Die Bohrungen der Platte füllen sich dabei mit flüssigem Bor, das durch seine Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Nach dem Erstarren können diese Borplättchen aus der Bornitridplatte gesägt oder gebrochen werden.
Die Elektroden können auflegiert, aufgedampft oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Der Anschluss an den Elektroden erfolgt durch Löten, Schweissen oder auch durch Anpressen von Kontakten, insbesondere auch durch Anpressen von Blechen grösserer Fläche, die zugleich zur Kühlung dienen.
Die Wirkung des Bauelementes nach der Erfindung beruht auf der Anwendung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bors. Diese ist in ihrem grundsätzlichen Verlauf in Fig. 1 für reinstes polykristallines Bor ohne Dotierung dargestellt. Legt man an eine mit zwei Elektroden versehene Borprobe eine Spannung an, so steigt zunächst bei Erhöhen der Spannung der Strom nur sehr langsam linear an, entsprechend dem hohen Widerstand des Bors bei Zimmertemperatur (spezifischer Widerstand des reinen Bors bei Zimmertemperatur zirka 106 Ohm. cm).
Bei Erreichen eines bestimmten Stromes ("Zündstrom") sinkt plötzlich die Spannung an der Borprobe, während der Strom stark ansteigt und nur durch einen im Stromkreis liegenden Widerstand begrenzt wird. Der Widerstand des Bors ist in diesem Bereich um einige Grössenordnungen kleiner als vor der Zündung und erreicht seinen ursprünglichen Wert erst wieder, nachdem der Strom durch die Probe unter einen bestimmten Wert ("Löschstrom") abgesenkt wurde.
Die physikalischen Vorgänge für das Zustandekommen dieser Charakteristik sind heute noch nicht vollkommen geklärt. Im wesentlichen kann jedoch der starke negative Widerstands-Temperaturkoeffizient des Bors und die bei Stromdurchgang auftretende Erwärmung des Bors für eine Erklärung herangezogen werden.
Es wurde festgestellt, dass sich der notwendige "Zündstrom" sowie die Zeit für den Übergang vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand und umgekehrt wesentlich durch die Abmessungen des Borplättchens sowie der Elektroden und etwaiger Kühlflächen beeinflussen lässt. Mit dünnen Plättchen von zirka 70/l Stärke und einigen Quadratmillimetern Querschnitt lassen sich z. B. Schaltzeiten von einigen Mikrosekunden realisieren. Werden noch dünnere Schichten verwendet, so sind auch noch kürzere Schaltzeiten möglich. Die Zeit für den Einschaltvorgang kann auch noch durch die angelegte Spannung und durch in Reihe geschaltete Widerstände beeinflusst werden.
Bei einer konstanten Dicke des Borplättchens ist zunächst eine bestimmte Mindestspannung erforderlich, um den Schaltvorgang auszulösen. Über diesem Mindestwert hängt die Einschaltzeit dann von der angelegten Spannung sowie von der Grösse des im Stromkreis in Reihe geschalteten Widerstandes ab. Die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schalter.
In Fig. 2 ist ein Schaltungsbeispiel für die Verwendung des Halbleiter-Bauelementes als Gleichstromschalter dargestellt. Ein Borplättchen--l--befindet sich zwischen zwei Elektroden--2 und 3--. Das Borplättchen ist in Reihe mit einer Glühlampe --4-- und einem Aus-Taster --5-- an eine Gleichspannungsquelle --6-- angeschlossen. Parallel zu dem Borplättchen liegt eine Gleichspannungsquelle--7--in Reihe mit einem Ein-Taster--8--und einem Kondensator--9-.
Die Spannung der Quelle--6--ist so bemessen, dass zunächst über den Taster--5--, die Glühlampe
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kann die Lampe--4--durch Absenken des Stromes am Borplättchen unter den "Löschstrom" wieder abgeschaltet werden.
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Das Einschalten des Halbleiter-Bauelementes kann auch ohne zusätzliche"Zündquelle"erfolgen.
Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Schaltung, die Elektroden--2, 3--, eine Lampe--4--, einen Aus-Taster --5-- und eine Stromquelle --6-- aufweist, liegt in Reihe zum Borplättchen-l-- noch eine Drossel--10--, während parallel zu dem Plättchen nur ein Ein-Taster --8-- geschaltet ist.
Wie beim Beispiel der Fig. 2 fliesst zunächst nur ein geringer Reststrom. Wird der Ein-Taster-S-- betätigt, so wird der Halbleiterschalter kurzgeschlossen, und im Stromkreis fliesst der volle Strom. Wird
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--8-- unterbrochen,Aus-Taster --5-- wieder geöffnet wird.
In Fig. 4 ist ein Schaltbeispiel für die Verwendung des Halbleiter-Bauelementes zur Steuerung eines Wechselstromes, der eine Frequenz von beispielsweise 50 Hertz besitzt, schematisch dargestellt. Das
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einen Phasenschieber --14-- ein Impulsformer --15-- angeschlossen. Der Phasenschieber-14kann im einfachsten Fall aus einem Kondensator und einem regelbaren Widerstand bestehen. Für den Impulsformer--15--kann gleichfalls ein Halbleiter-Bauelement aus Bor verwendet werden.
Der Impulsformer --15-- erzeugt für jede positive Halbwelle des Wechselstromes einen kurzen positiven und für jede negative Halbwelle des Wechselstromes einen kurzen negativen Impuls ; die Phasenlage dieser Impulse kann gegenüber der Spannung der Quelle--13--durch den Phasenschieber - -14-- verschoben werden. Über einen Koppelkondensator--16--gelangen diese Impulse an das Halbleiter-Bauelement. Das Halbleiter-Bauelement--11--ist so bemessen, dass bei der vorhandenen Spannung der Quelle --13-- zunächst nur ein geringer Reststrom durch den Belastungswiderstand --12-- fliess.
Gelangt nunmehr über den Kondensator --16-- ein Impuls des Impulsformers-15-an das Halbleiter-Bauelement, so wird dieses leitend, und durch den Belastungswiderstand --12-- fliesst so lange Strom, bis der Betrag des Augenblickswertes des Wechselstromes unter den Löschstrom des Halbleiter-Bauelementes abgesunken ist. Die Zündung der nächsten Halbwelle erfolgt durch den nächsten vom Impulsformer --15-- gelieferten Impuls.
In den Fig. 5a, 5b und 5c ist der zeitliche Verlauf der Ströme und Spannungen dargestellt, u. zw. in Fig. 5a die Spannung der Quelle-13--, in Fig. 5b die vom Impulsformer --15-- gelieferten Impulse, die in dem aufgezeigten Diagramm beispielsweise gegenüber der Spannung --13-- eine Phasenverschiebung von 600 besitzen, in Fig. 5c wird schliesslich der Strom durch den Belastungswiderstand--12--dargestellt.
Durch Verwendung von zwei Halbleiter-Bauelementen der beschriebenen Art und zusätzlichen Einbau von zwei Dioden kann gemäss Fig. 6 auch ein gesteuerter Zweiweg-Gleichrichter aufgebaut werden.
Die Wirkungsweise ist prinzipiell die gleiche wie bei der Wechselstromsteuerung der Fig. 4. Wegen der Dioden-17 und 18-werden jedoch in diesem Falle die Halbleiter-Bauelemente-19 und 20-abwechselnd gezündet, so dass das eine Bauelement die positive und das zweite die negative Halbwelle
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Die hier ausgeführten Schaltungen sind nur Beispiele für die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Halbleiter-Bauelementen aus Bor. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise bistabile oder monostabile Kippstufen, Blinkschaltungen, Zerhacker, Überspannungsableiter, Überhitzungssicherung usw.
Bei weiteren Versuchen wurde gefunden, dass das Einschalten des Halbleiter-Bauelementes auch durch Erhöhen der Umgebungstemperatur und bzw. oder zusätzliche Erwärmung des im Halbleiter-Bauelement enthaltenen Bors ausgelöst werden kann, während man das Ausschalten des Halbleiter-Bauelementes durch Erniedrigen der Umgebungstemperatur und bzw. oder zusätzliche Kühlung des im Halbleiterbauelement enthaltenen Bors erreicht.
Die für den Schaltvorgang bzw. das Einschalten des Halbleiter-Bauelementes erforderliche Umgebungstemperatur kann dadurch erhalten werden, dass das Halbleiter-Bauelement in guten thermischen Kontakt mit einem solchen Bauteil oder Gerät gebracht wird, das sich beim Betrieb erwärmt, vorzugsweise z. B. durch elektrischen Strom. Bei Erreichen der maximal zulässigen Temperatur des Bauteiles oder Gerätes werden Einrichtungen betätigt, die ein weiteres Ansteigen der Temperatur des Bauteiles verhindern. Dabei ist es aber auch möglich, das Erreichen der maximal zulässigen Temperatur in bekannter Weise, z. B. optisch oder akustisch, zu signalisieren.
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Eine Möglichkeit, sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Temperatur des Bors selbst zu erhöhen, besteht darin, dass das verwendete Bor auf einen Metalldraht, z. B. aus Molybdän, Wolfram, Tantal oder VA-Stahl, in einer dünnen Schicht in bekannter Weise aufgebracht und der Metalldraht mittels Stromdurchgang erwärmt wird.
Eine zusätzliche Kühlung des Halbleiter-Bauelementes kann beispielsweise durch Eintauchen in eine Kühlflüssigkeit bewirkt werden.
Beispiel l : In der Fig. 7 ist schematisch eine Anordnung dargestellt. bei der das Halbleiter-Bauelement Geräte und Bauteile gegen unzulässige Erwärmung schützt, insbesondere solche, die durch elektrischen Strom erwärmt werden.
Das Halbleiter-Bauelement--21--befindet sich in gutem thermischem Kontakt mit dem Bauteil - -22--, dessen Temperatur überwacht werden soll. Der Bauteil-22-kann z. B. der Boden eines elektrischen Wasserkochers, die Wandung eines Warmwasserspeichers oder der Mantel eines Tauchsieders, aber auch die Anode einer Triode oder die Antikathode einer Röntgenröhre sein. Ob der Überwachungsstromkreis vollkommen elektrisch isoliert von dem Bauteil sein muss oder ob eine Elektrode des Halbleiter-Bauelementes auch elektrisch mit dem zu schützenden Bauteil verbunden werden kann, hängt von den jeweils einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften ab. Eine direkte Verbindung einer Elektrode ist z.
B. mit der Anode einer Triode möglich ; in diesem Fall kann die Borschicht gegebenenfalls direkt auf die Anode aufgebracht werden, beispielsweise durch Abscheiden oder Aufdampfen.
Steigt die Temperatur an den Elektroden des Halbleiter-Bauelementes oder am Bauelement selbst über einen bestimmten Wert an, so wird das Halbleiter-Bauelement --21-- eingeschaltet. Das Relais --23-- zieht an und unterbricht beispielsweise den Heizstromkreis.
Das Ansprechen des Relais --23-- kann auch zum Signalisieren der erhöhten Temperatur oder zum Schliessen bzw. öffnen von Ventilen u. dgl in bekannter Weise eingesetzt werden. Eine Feineinstellung der Abschalttemperatur ist durch den einstellbaren Widerstand --24-- möglich.
Beispiel 2 : In Fig. 8 ist der Einsatz eines Halbleiter-Bauelementes als Leitungsschutzsicherung und bzw. oder als thermisch verzögerter überstromauslöser schematisch dargestellt. Dabei ist die
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--26-- aufgebracht.borhaltigen Verbindung, beispielsweise eines Borhalogenids, in bekannter Weise erhalten werden. Durch den Metalldraht-26-fliesst der Betriebsstrom I. Gleichzeitig ist der Metalldraht eine der Elektroden des Halbleiter-Bauelementes.
Die zweite Elektrode--27--wird auf die Borschicht--25--aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen, Auflegieren oder Kathodenzerstäubung. Im einfachsten Fall kann die zweite Elektrode --27-- durch Anpressen eines Metalls an die Borschicht--25--hergestellt werden. Die Elektrode --27-- ist von einer thermisch und elektrisch isolierenden Schicht-28--, z. B. einem Keramikrohr oder einem Giessharz, umgeben.
Das Halbleiter-Bauelement ist so dimensioniert, dass beim Nennwert des Stromes I nur ein geringer Reststrom vom Metalldraht --26-- über die Borschicht--25--, die Elektrode-27-, den einstellbaren Widerstand --29-- und die Spule des Relais-30-fliesst. Fliesst durch den Metalldraht --26-- ein grösserer Strom I, so wird sowohl die Temperatur an den Elektroden als auch die Temperatur der Borschicht erhöht. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur,
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unterbrochen wird. Zusatzeinrichtungen, wie Freiauslösung des Kontaktes, der den Stromkreis unterbricht, oder Wiedereinschaltsperre können in bekannter Weise angebracht werden.
Durch den Widerstand--29--wird der Strom eingestellt, der nach einer vorgeschriebenen Zeit zur Abschaltung führt (Schnellauslösung oder thermisch verzögerte Überstromauslösung).
Wird der Widerstand --29-- für thermisch verzögerte Überstromauslösung eingestellt, so kann für eine Kurzschluss-Schnellauslösung parallel zu diesem Widerstand noch ein weiteres Halbleiter-Bauelement - aus Bor geschaltet werden. Dieses wird so dimensioniert, dass es bei dem die thermische
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des jetzt verringerten Vorwiderstandes für das Halbleiter-Bauelement --31--, der aus dem konstanten Widerstand der Spule des Relais--30--und dem Widerstand der Borschicht--25--gebildet wird. Durch das Einschalten des Halbleiter-Bauelementes--31--wird jedoch auch der Vorwiderstand für das aus dem Metalldraht--26--, der Borschicht--25--und der Elektrode--27--gebildete Halbleiter-Bauelement kleiner.
Dadurch steigt der Strom durch das Relais--30--rasch an und bewirkt ein schnelles Abschalten. Mit--32--ist der Verbraucher bezeichnet.
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in einem Gefäss --35-- enthalten ist. Das Halbleiter-Bauelement--33--ist in Reihe mit einem Widerstand --36-- an eine Spannungsquelle --37-- angeschlossen. Die Spannungsquelle-37liefert eine Wechselspannung, deren Frequenz und Amplitude konstant ist. Die Frequenz kann z. B.
50 Hertz betragen. Die Amplitude wird so bemessen, dass bei der niedrigsten Temperatur der Flüssigkeit --34-- das Halbleiter-Bauelement --33-- etwas unter dem Spitzenwert der Spannung einschaltet. Die an dem Halbleiter-Bauelement --33-- auftretende Spannung hat dann den in Fig. 10 für eine Periode dargestellten zeitlichen Verlauf, wenn die Spannungsquelle --37-- eine sinusförmige Wechselspannung liefert. Wird die Temperatur der Flüssigkeit --34-- höher, so schaltet das Halbleiter-Bauelement --33-- bereits bei niedrigeren Augenblickswerten der Wechselspannung ein (Fig. 11). Gemessen wird nunmehr in bekannter Weise der Phasenunterschied zwischen dem Nulldurchgang der Wechselspannung und dem Zusammenbrechen der Spannung am Halbleiter-Bauelement-33-.
Der Phasenunterschied kann durch ebenfalls bekannte Methoden in einem Messgerät-38-digital oder analog angezeigt und bzw. oder zur Regelung einer Heizung oder Kühlung des Gefässes-35-mittels eines Reglers-39- verwendet werden. Die Spannung der Quelle --37-- kann an Stelle eines sinusförmigen Verlaufes auch
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B.logarithmische Skala für Temperaturanzeige). Es ist auch möglich, den Phasenunterschied des Spannungsabbruches zweier gleicher Halbleiter-Bauelemente zu messen, von denen sich das eine in der zu messenden Umgebungstemperatur und das andere in einer Umgebung konstanter Temperatur (Vergleichstemperatur) befindet. Hiedurch kann eine grössere Genauigkeit der Temperaturmessung erzielt werden. Mit--40--ist ein Phasenmesser bezeichnet.
Beispiel 4 : In Fig. 12 ist der Prinzipschaltplan zur Temperaturregelung eines elektrisch geheizten Gerätes unter Verwendung von zwei Halbleiter-Bauelementen dargestellt.
Das Halbleiter-Bauelement --41-- befindet sich in gutem thermischem Kontakt mit dem Gerät, dessen Temperatur geregelt werden soll. Das Halbleiter-Bauelement--42--hat als Umgebungstemperatur Raumtemperatur oder es befindet sich in einem Thermostaten, dessen Temperatur unter der niedrigsten am Gerät zu regelnden Temperatur liegt. Das Gerät wird durch eine beim Betrieb ständig eingeschaltete Heizung --45-- erwärmt; die Temperaturregelung erfolgt durch Zu- oder Abschalten der Zusatzheizung --44-- durch das Halbleiter-Bauelement-42--.
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die Zusatzheizung--44--wird durch das Halbleiter-Bauelement--42--wieder eingeschaltet. Die Anordnung ist für Gleich- und Wechselstrom geeignet.
Beispiel 5 : In den Fig. 13 und 14 ist die Verwendung von zwei Halbleiter-Bauelementen zur Kontrolle und bzw. oder Regelung des Füllstandes eines Flüssigkeitsbehälters schematisch dargestellt.
Diese Vorrichtung ist insbesondere für Kühlflüssigkeiten geeignet.
Zwei Halbleiter-Bauelemente--46 und 47--sind in einem Behälter--48--, der die Flüssigkeit --49-- enthält, in verschiedenen Höhen eingebaut, die dem maximalen bzw. dem minimalen Füllstand entsprechen. Elektrisch sind diese beiden Halbleiter-Bauelemente in Reihe geschaltet und liegen in Reihe mit einem Vorwiderstand --50-- und der Wicklung eines Magnetventils --51-- an der Stromquelle - -52---. Das Magnetventil --51-- ist in stromlosem Zustand geschlossen und öffnet bei Stromdurchgang den Zulauf für den Behälter-48-.
Die Halbleiter-Bauelemente-46 und 47--sind eingeschaltet, wenn sich beide Elemente ausserhalb der Flüssigkeit befinden. Der Ausschaltvorgang tritt erst dann ein, wenn beide Elemente in die Flüssigkeit eintauchen.
Liegt der Flüssigkeitsspiegel so hoch, dass beide Elemente in die Flüssigkeit eintauchen, so ist das Magnetventil --51-- für den Zulauf geschlossen. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel, so wird das Magnetventil
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- erst dann geöffnet, wenn sich beide Elemente ausserhalb der Flüssigkeit befinden. Das Magnetventil --51-- bleibt so lange geöffnet, bis die Flüssigkeit wieder so weit gestiegen ist, dass beide Elemente von der Flüssigkeit umgeben werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verwendung von elementarem, reinem, keine p-n-übergänge enthaltendem Bor als Hauptbestandteil von Halbleiter-Bauelementen, die als Schalter oder Schaltungselement für die Steuerung und Regelung von Gleich- und Wechselstrom eingesetzt werden.
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