<Desc/Clms Page number 1>
Elektrische Glühlampe
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
Widerstand hat, kann er durch den durchfliessenden elektrischen Strom nur dann erhitzt werden, wenn seine Anfangstemperatur hinreichend hoch ist. Daher ist für die beschriebene Glühlampe ein leistungsfähiger Zünder erforderlich, der den Glühkörper auf eine Temperatur von 1000 K erhitzen kann. Dazu sei noch erwähnt, dass es sehr schwierig ist, einen hinreichend grossen Körper aus einem chemisch reinen, hitzebeständigen Halbleiter herzustellen.
Es ist das Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Glühlampe mit einem
Halbleiterglühkörper zu entwickeln, der eine hohe Lichtausbeute hat, sich stabil erhitzen lässt und eine
Selbstzündung der Glühlampe bei Zimmertemperatur und darunter ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Glühkörperhalbleiter eine
Breite der verbotenen Zone von etwa 3 eV hat und entweder mit Donatoren- oder mit
Akzeptorenzusätzen in einer Konzentration von 1017 bis 1020 cm* legiert ist, wobei die von diesen
Zusätzen erzeugten Energieniveaus in einem Bereich 0, 0 bis 0, 5 eV unterhalb des Leitungsbandes für den Fall von Donatorenzusätzen und in einem Bereich von 0 bis 0, 5 eV oberhalb des Valenzbandes für den Fall von Akzeptorenzusätzen liegen.
Wird eine Selbstzündung der Glühlampe, d. h. die Zündung ohne Fremdwärmequelle, bei
Zimmertemperatur erwünscht, so sind solche Zusatzstoffe zu wählen, bei denen die von ihnen erzeugten
Energieniveaus in einem Bereich von 0, 5 eV unterhalb des Leitungsbandes (für Donatoren) bzw. oberhalb des Valenzbandes (für Akzeptoren) liegen. Ist eine Selbstzündung bei niedrigeren
Temperaturen erforderlich, so können Beimengungen zugegeben werden, bei denen dieser Bereich noch kleiner, u. zw. etwa 0, 3 eV ist.
Als Werkstoff für die Herstellung des Leuchtkörpers eignet sich insbesondere legiertes
Siliziumkarbid. Werden als Legierungszusätze Stickstoff und Phosphor genommen, so wird die
Glühlampe auch selbst zünden. Zur Legierung eignen sich weiter Aluminium und Bor.
Um Energieverluste durch Wärmeleitung zu verringern, kann der Kolben in an sich bekannter
Weise doppelwandig in der Art des Dewargefässes ausgeführt werden. Die Lichtausbeute hängt im starken Masse vom Werkstoff des Kolbens ab. Beim Glas wird sie um 10% und beim Quarz um 20% höher gegenüber einer Halbleiterglühlampe mit üblichem Kolben sein.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die
Fig. 1, 2 und 3 zeigen Strahlungsspektren des Glühkörpers einer Halbleiterglühlampe bei verschiedenen Temperaturen.
Das Wirkungsprinzip der Halbleiterglühlampen ist davon unabhängig, ob der Glühkörper aus reinem oder legiertem Halbleiter besteht.
In Fig. 1, 2 und 3 ist auf der Abszissenachse die Quantenenergie hv und auf der Ordinatenachse die Strahlungsleistung E in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die volle Linie zeigt das Leuchtspektrum eines Halbleiterglühkörpers und die gestrichelte das Spektrum des schwarzen Strahlers. Im Infrarot A ist das Spektrum des Halbleiterleuchtkörpers schräg licht und im sichtbaren Bereich B senkrecht dicht schraffiert.
Die Schaubilder lassen deutlich erkennen, dass die vom Halbleiterglühkörper emittierte Energie im Infrarot viel geringer ist als dieselbe beim schwarzen Körper, da der Halbleiter in diesem Bereich durchlässig ist. Die Fig. 1, 2 und 3 beziehen sich auf fortlaufend steigende Temperaturen des Glühkörpers. Eine Gegenüberstellung der Schaubilder zeigt, dass mit steigender Temperatur der Energieanteil der sichtbaren Strahlung sich stets ändert, wobei die Breite des Durchlässigkeitsbereiches des Halbleiters abnimmt, was auf die Verringerung der Breite der verbotenen Zone mit zunehmender Temperatur zurückzuführen ist.
Solange die Kurzwellengrenze der Durchlässigkeit Ci (Fig. l) noch im sichtbaren Gebiet liegt, steigt mit der Temperatur der im sichtbaren Spektralgebiet ausgestrahlte Leistungsanteil im Verhältnis zur gesamten emittierten Leistung schneller an. Noch schneller steigt aber der Leistungsanteil der im Ultraviolettbereich emittiert wird. Da aber sein Absolutbetrag bei Temperaturen unter 3000 K gering ist, spielt er keine beträchtliche Rolle. Verschiebt sich nur die Grenze der Durchlässigkeit in dem Infrarotbereich (C2 und C3 in Fig. 2, 3), so steigt der Anteil der Infrarotstrahlung rasch an. Dies führt bald zur Abnahme der Lichtausbeute des Glühkörpers. Somit liegt die optimale Betriebstemperatur eines Glühkörpers aus Halbleiter unterhalb derselben des schwarzen Strahlers.
Hiebei kann aber der Höchstwert der Lichtausbeute des Halbleiterglühkörpers grösser sein als beim schwarzen Strahler.
Die Strahlung eines Halbleiters im Bereich seiner Durchlässigkeit wird nach dem Kirchhoffschen Gesetz durch seine Absorptionsfähigkeit in diesem Gebiet bestimmt. Die Zunahme der Absorption hat die Abnahme der Lichtausbeute zur Folge. Dabei verschiebt sich der Höchstwert der Lichtausbeute zu
<Desc/Clms Page number 3>
den höheren Temperaturen hin. Es ist also günstig, die Absorptionsfähigkeit im Durchlässigkeitsgebiet möglichst klein zu halten. Das bedeutet, dass der Glühkörper möglichst dünn zu gestalten ist. Wie die Rechnung zeigt, wirkt sich die Dicke des Glühkörpers mit Erweiterung des Durchlässigkeitsbereiches zu den längeren Wellenlängen hin immer stärker aus. Anderseits wird die Absorptionsfähigkeit des Glühkörpers auch durch die Konzentration und Zusammensetzung von Zusatzstoffen im Halbleiter bestimmt.
Man kann nun rechnerisch nachweisen, dass Energieniveaus, die die Donatoren oder Akzeptoren erzeugen, nicht mehr als 0, 5 eV vom entsprechenden Energieband (Leistungs- bzw.
Valenzband) entfernt liegen dürfen, sonst steigt der im Infrarot emittierte Energieanteil übermässig an.
Die Berechnungen zeigen weiter, dass der Höchstwert der Lichtausbeute des Glühkörpers mit zunehmender Breite der verbotenen Zone des Halbleiters sich in Richtung zu den höheren Temperaturen verschiebt und der Kurvenanstieg bzw. -abfall in seiner Umgebung immer steiler wird, wobei der Höchstwert der Lichtausbeute grösser wird. Der Temperatursteigerung wird jedoch durch die Hitzebeständigkeit des Halbleiters, aus dem der Glühkörper hergestellt ist, eine Grenze gesetzt. Aus diesem Grunde scheiden die Halbleiter mit übermässig breiter verbotener Zone aus. Es hat sich erwiesen, dass die optimale Breite der verbotenen Zone vom Glühkörperhalbleiter bei Zimmertemperatur etwa 3 eV beträgt. Die Lichtausbeute des Leuchtkörpers aus. einem solchen Halbleiter kann bei optimaler Temperatur, d. h. bei 2500 K sehr hoch sein.
Das hexagonale Siliziumkarbid hat eine verbotene Zone mit einer Breite, die etwa 3 eV beträgt.
Daher eignet es sich für die Herstellung der Glühkörper. Nach der Breite der verbotenen Zone sind weiter Aluminiumnitrid, Thordioxyd und Titandioxyd brauchbar.
Die Erhitzung der Wolframwendel bei üblichen Glühlampen mit dem durchfliessenden elektrischen Strom ist kein Problem. Anders ist es bei einer Platte aus Halbleiter. Mit steigender Temperatur nimmt der Halbleiterwiderstand ab. Dadurch nimmt der die Platte durchfliessende Strom zu, so dass auch Joulewärme entwickelt wird und somit die Temperatur weiter steigt, was eine weitere Stromzunahme hervorruft usw. Daher kann ein strombeheizter Halbleiter allgemein instabil werden.
Bei den Halbleiterglühlampen lässt sich aber diese Schwierigkeit umgehen. Wie es leicht einzusehen ist, bleibt der Halbleiter stabil, wenn der Wärmeentzug mit Temperaturanstieg schneller zunimmt als die Wärmeentwicklung. Dann kann die Zunahme der entwickelten Joulewärme nicht mehr eine Temperatursteigerung verursachen, da dies die steigenden Wärmeverluste verhindern. Dies lässt sich durch Legieren des Halbleiters mit Zusatzstoffen mit einer Konzentration erreichen, die dazu ausreicht, dass der Halbleiter bei Betriebstemperatur (die, wie erwähnt, durch die optischen Eigenschaften des Glühkörpers bestimmt ist) seine Störstellenleitfähigkeit beibehalten kann. Die Rechnung zeigt, dass die Konzentration von Störstellen in der Grössenordnung von 1017 bis 1020 cm'liegen soll.
Die Energieniveaus, die durch die Störstellen erzeugt werden, sollen, wie erwähnt, nicht weiter als um 0, 5 eV von dem Leitungs-bzw. Valenzband abstehen. Beim Siliziumkarbid ist ein solcher Zusatzstoff das Bor. Wird eine Zündung ohne Fremdwärmequelle verlangt, so muss die Leitfähigkeit des Leuchtkörpers bei Zimmertemperatur hinreichend hoch sein. Man kann nun rechnerisch ermitteln, dass eine Glühlampe, bei der der Zusatzstoff Energieniveaus, die etwa um 0, 3 eV von den entsprechenden
EMI3.1
eV,Siliziumkarbid durch Legieren mit Stickstoff und Phosphor zu erreichen.
Bei einer elektrischen Lampe mit einem Halbleiterglühkörper machen die Energieverluste durch Wärmeleitung etwa die Hälfte der ganzen zugeführten Energie aus. Daher ist die Herabsetzung der durch Wärmeleitung bedingten Verluste eine Reserve für die Steigerung der Lichtausbeute. Man kann nun rechnerisch nachweisen, dass die Anordnung des Leuchtkörpers in einem doppelwandigen Kolben, dessen Wandzwischenraum in der Art des Dewarschen Gefässes evakuiert ist, die Energüeverluste durch Wärmeleitung um 20 bis 40% herabsetzt. Dies entspricht einer Steigerung der Lichtausbeute um 10 bis 20%.
Es sei erwähnt, dass sich die Anwendung eines solchen Doppelwandkolbens bei Glühlampen mit Wolframwendel nicht lohnt, da die durch Herabsetzung der Wärmeableitung erzielbare Steigerung der Lichtausbeute hier gering ist.