CH662445A5

CH662445A5 - METHOD AND DEVICE FOR RECTIFYING AC POWER.

Info

Publication number: CH662445A5
Application number: CH6145/82A
Authority: CH
Inventors: Khabibulla Ibragimo Amirkhanov; Radif Iskhakovich Bashirov; Kamil Minkailovich Aliev; Magomed Magomedovi Gadzhialiev
Original assignee: Akad Nauk Sssr Dagestansk
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1987-09-30
Also published as: DE3152734T1; SE8205848D0; GB2107520A; SE8205848L; SE445693B; DE3152734C2; CA1175478A; GB2107520B; JPS58500582A; WO1982002982A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Gleichrichten von Wechselstrom gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2. The present invention relates to a method and a device for rectifying alternating current according to the preamble of patent claim 1 and of patent claim 2.

Für die Zwecke der Umwandlung und Fernübertragung elektrischer Energie grosser Leistung werden zur Zeit Gleichrichter benötigt, die Hochspannungen und Starkströmen standhalten. Die industriellen ungesteuerten Leistungsgleichrichter und -thyristoren unterliegen Einschränkungen, die durch die Abmessungen und die Herstellungstechnologie von Gleichrichtersperrschichten bedingt sind. Es erscheint zweckmässig, grundsätzlich neue Gleichrichter und Verfahren zur Gleichrichtung zu entwickeln, die keine eingebaute Gleichrichtersperrschicht enthalten. Rectifiers that withstand high voltages and high currents are currently required for the purposes of converting and remote transmitting high-power electrical energy. The industrial uncontrolled power rectifiers and thyristors are subject to restrictions due to the dimensions and manufacturing technology of rectifier barriers. It seems appropriate to fundamentally develop new rectifiers and rectification methods that do not contain a built-in rectifier barrier layer.

Es sind Verfahren zum Gleichrichten von Wechselstrom mit Hilfe von Halbleiterdioden verschiedener Typen bekannt, die eingebaute Gleichrichtersperrschichten (s. beispielsweise J.A. Fedotov «Grundlagen der Physik von Halbleiterbauelementen», Methods for rectifying alternating current with the aid of semiconductor diodes of various types are known, which have built-in rectifier blocking layers (see, for example, J.A. Fedotov "Fundamentals of the Physics of Semiconductor Components",

Moskau, Verlag «Sovetskoe radio», 1970, S. 138, 139) enthalten. Moscow, publisher "Sovetskoe radio", 1970, pp. 138, 139) included.

Die bekannten Halbleiterdioden sind Gleichrichterelemente mit einer im Volumen oder an der Oberfläche des Halbleiters eingebauten Gleichrichtersperrschicht, die mit zwei Anschlüssen versehen und in entsprechender Weise konstruktiv gestaltet sind. The known semiconductor diodes are rectifier elements with a rectifier barrier layer built into the volume or on the surface of the semiconductor, which are provided with two connections and are designed in a corresponding manner.

Geringe Dicke und unzureichende Homogenität der Gleichrichtersperrschicht setzen deren elektrische Festigkeit herab. Deshalb halten die bekannten Einrichtungen keine hohen Spannungen und Stromdichten aus. Die theoretische Grenze der Stromdichte für Germanium- und Siliziumdioden mit einer Gleichrichtersperrschicht beträgt 106A/m2. In der Praxis wird diese Grenze nicht erreicht. Ausserdem wird die Herstellung von Wechselstromgleichrichtern durch die Notwendigkeit, im Volumen oder an der Oberfläche eines Halbleiters eine Gleichrichtersperrschicht vorzusehen, verteuert und erschwert. Small thickness and insufficient homogeneity of the rectifier barrier layer reduce its electrical strength. Therefore, the known devices cannot withstand high voltages and current densities. The theoretical limit of current density for germanium and silicon diodes with a rectifier barrier layer is 106A / m2. In practice, this limit is not reached. In addition, the manufacture of AC rectifiers is made more expensive and more difficult by the need to provide a rectifier barrier layer in the volume or on the surface of a semiconductor.

Es ist auch ein Verfahren zum Gleichrichten von Wechselstrom im Halbleiter ohne eingebaute Gleichrichtersperrschicht bekannt. Dieses Verfahren baut auf der Erzeugung eines Konzentrationsgradienten im Halbleiter mit Hilfe eines Temperaturgefälles (s. beispielsweise J. Taue «Foto- und thermoelektrische Erscheinungen in Halbleitern», Moskau, Verlag «Inostrannaja literatura», 1962, S. 183) auf. A method for rectifying alternating current in the semiconductor without a built-in rectifier barrier layer is also known. This method is based on the generation of a concentration gradient in the semiconductor with the aid of a temperature gradient (see, for example, J. Taue “Photo and thermoelectric phenomena in semiconductors”, Moscow, publisher “Inostrannaja literatura”, 1962, p. 183).

Im bekannten Verfahren wird in einem homogenen Störstellenhalbleiter mit Hilfe einer Erwärmungs- und einer Kühleinrichtung, die auf verschiedenen Seiten einer Probe angeordnet sind, ein Temperaturgefälle erzeugt, um einen Konzentrationsgradienten von Majoritätsladungsträgern zu erhalten. Bei einem steilen Temperaturgefälle, wo sich die Dichte der Majoritätsladungsträger auf der Diffusionslänge wesentlich ändert, entstehen Überschussladungsträger, was eine Stromgleichrichtung bewirkt. In the known method, a temperature gradient is generated in a homogeneous impurity semiconductor using a heating and cooling device, which are arranged on different sides of a sample, in order to obtain a concentration gradient of majority charge carriers. With a steep temperature gradient, where the density of the majority charge carriers changes significantly along the diffusion length, excess charge carriers arise, which causes current rectification.

Dieses bekannte Verfahren hat aber einen niedrigen Wirkungsgrad, der durch einen niedrigen Gleichrichterfaktor bedingt ist. Deshalb hat dieses Verfahren keine praktische Anwendung gefunden. However, this known method has a low efficiency, which is due to a low rectifier factor. Therefore, this method has not found practical application.

Einen höheren Wirkungsgrad weist ein anderes bekanntes Verfahren zum Gleichrichten von Wechselstrom (s. beispielsweise Kh.I. Amirkhanov, K.M. Aliev, R.I. Bashirov, M.M. Gadjialiev «JTF-Briefe», 4, S. 660, 1978) auf. Another known method for rectifying alternating current has a higher efficiency (see, for example, Kh.I. Amirkhanov, K.M. Aliev, R.I. Bashirov, M.M. Gadjialiev «JTF-Briefe», 4, p. 660, 1978).

Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe einer Erwärmungs- und einer Kühleinrichtung, die auf verschiedenen Stirnseiten einer Germaniumplatte angeordnet sind, ein Gradient des Verhältnisses der Elektronen- zur Löcherbeweglichkeit entlang der Platte erzeugt, wodurch ein Temperaturgradient und eine bipolare Leitfähigkeit durch Erhitzung des einen und durch Abkühlung des anderen Endes der Germaniumplatte erzeugt werden. Die bipolare Leitfähigkeit wird durch die Temperatur der Erwärmungseinrichtung gewährleistet. In this method, a gradient of the ratio of the electron to hole mobility along the plate is generated with the aid of a heating and cooling device which are arranged on different end faces of a germanium plate, as a result of which a temperature gradient and a bipolar conductivity by heating one and by cooling the other end of the germanium plate. The bipolar conductivity is ensured by the temperature of the heating device.

Dieses dem erfindungsgemässen Verfahren am nächsten liegende Verfahren weist aber einen niedrigen Wirkungsgrad auf, der unter anderem durch einen Energieaufwand für die Speisung der Erwärmungseinrichtung bedingt ist. However, this method, which is closest to the method according to the invention, has a low efficiency, which is due, among other things, to an energy expenditure for feeding the heating device.

Darüber hinaus wird die Einrichtung zur Durchführung derartigen Verfahrens wegen der Notwendigkeit kompliziert, die Erwärmungseinrichtung mit dem Halbleiter zu koppeln, eine Wärmeisolation für die Erwärmungseinrichtung zu schaffen, Zuführungsdrähte und eine Speisequelle für die Erwärmungseinrichtung zur Verfügung zu stellen. In addition, the apparatus for performing such methods is complicated because of the need to couple the heater to the semiconductor, provide thermal insulation for the heater, provide lead wires, and a source of supply for the heater.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2 genannten Art zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad und eine einfache Bauweise durch Schaffung einer neuen Driftart für ein Elektron-Loch-Plasma unter der Wirkung einer inhomogenen Selbsterhitzung des Halbleiters durch den gleichgerichteten Strom gewährleisten. The invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned in the preamble of claim 1 and claim 2, which have an increased efficiency and a simple design by creating a new type of drift for an electron-hole plasma under the Ensure the effect of inhomogeneous self-heating of the semiconductor by the rectified current.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorge5 The task is solved in that the pre5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

662 445 662 445

schlagene Verfahren die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 umschriebenen Merkmale aufweist. proposed method has the features circumscribed in the characterizing part of patent claim 1.

Der Wirkungsgrad der Gleichrichtung wird sowohl durch Elimination des Energieaufwandes für die Erwärmungseinrichtung als auch durch Herstellung einer quadratischen Abhängigkeit des Gleichrichtereffektes von der Stormdichte (einer positiven Rückkopplung der Gleichrichtung von der Stromdichte) erhöht. Es wird die Auswahl von zur Gleichrichtung verwendeten Halbleiterwerkstoffen erweitert. The efficiency of the rectification is increased both by eliminating the energy expenditure for the heating device and by producing a quadratic dependence of the rectifier effect on the storm density (a positive feedback of the rectification from the current density). The selection of semiconductor materials used for rectification is expanded.

Die vorgeschlagene Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist die im Kennzeichen des Patentanspruches 2 angegebenen Merkmale auf. The proposed device for performing the method has the features specified in the characterizing part of patent claim 2.

Die Anwendung der Erfindung vereinfacht und verbilligt die Konstruktion des Gleichrichters, denn es entfällt die Erwärmungseinrichtung. The application of the invention simplifies and cheapens the construction of the rectifier, since the heating device is omitted.

Zur Erweiterung von möglichen Funktionen der Einrichtung ist es zweckmässig, die Kühleinrichtung verschiebbar entlang des Gebrauchselementes auszuführen. To expand possible functions of the device, it is expedient to design the cooling device to be displaceable along the use element.

Dies gestattet es, ausser der Gleichrichtung auch eine Reihe anderer technischer Aufgaben durch Steuerung des Verlaufes der Strom-Spannungs-Kennlinie mittels Verschiebung der Kühleinrichtung zu lösen. In addition to rectification, this allows a number of other technical tasks to be solved by controlling the course of the current-voltage characteristic curve by shifting the cooling device.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gleichrichten von Wechselstrom, Fig. 2 eine elektrische Schaltung mit der Einrichtung der Fig. 1 bei einer Einweggleichrichtung, 1 shows a device according to the invention for carrying out the method for rectifying alternating current, FIG. 2 shows an electrical circuit with the device of FIG. 1 in a one-way rectification,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Einrichtung, Fig. 4 eine elektrische Schaltung mit der Einrichtung der Fig. 2 bei einer Zweiweggleichrichtung, 3 shows another embodiment of the device, FIG. 4 shows an electrical circuit with the device of FIG. 2 in a two-way rectification,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Einrichtung, und Fig. 6 die Einrichtung der Fig. 5 mit einem Hilfskontakt. Die Einrichtung 1 enthält ein Gebrauchselement 2 (Fig. 1), das aus einem Halbleiter mit verschiedenen Temperaturabhängigkeiten der Elektronen- und der Löcherbeweglichkeit hergestellt ist. An die zwei entgegengesetzten Stirnseiten des Gebrauchselementes 2 sind sperrschichtfreie Kontakte 3 und 4 angeschlossen, mit deren Hilfe die Einrichtung 1 in den Stromkreis eingeschaltet wird. An die Stirnseite des Gebrauchselementes 2 grenzt auf der Seite des Kontaktes 4 eine Kühleinrichtung 5 mit einer Wasser- oder Luftkühlung. 5 shows a further embodiment of the device, and FIG. 6 shows the device of FIG. 5 with an auxiliary contact. The device 1 contains a usage element 2 (FIG. 1), which is made of a semiconductor with different temperature dependencies of the electron and the hole mobility. At the two opposite end faces of the utility element 2, barrier-free contacts 3 and 4 are connected, with the aid of which the device 1 is switched on in the circuit. A cooling device 5 with water or air cooling borders on the end of the usage element 2 on the side of the contact 4.

Die Abmessungen des Gebrauchselementes werden in Abhängigkeit von der Verlustleistung (Ni) des gleichgerichteten Stroms im Gebrauchselement 2 gewählt, wodurch ein höchstmögliches Temperaturgefälle gewährleistet wird, Ni = Ir Vi, worin Ii — der Strom im Gebrauchselement 2, Vi — der Spannungsabfall am Gebrauchselement ist. The dimensions of the usage element are selected as a function of the power loss (Ni) of the rectified current in usage element 2, which ensures the highest possible temperature gradient, Ni = Ir Vi, where Ii - the current in usage element 2, Vi - is the voltage drop at the usage element.

In erster Näherung können die Abmessungen des Ge-brauchselementes 2 gemäss Formel 1 berechnet werden: In a first approximation, the dimensions of the usage element 2 can be calculated according to Formula 1:

S = S =

I rV,*/ I rV, * /

Die Kühleinrichtung muss eine maximale Ableitung der Verlustleistung vom Gebrauchselement 2 gewährleisten. The cooling device must ensure maximum dissipation of the power loss from the utility element 2.

Für die Arbeit wird die Einrichtung 1 in einen Wechselstromkreis (Fig. 2) in Reihe mit einer Last 6 und einem Wider-5 stand 7 über einen Regeltransformator 8 geschaltet. Der erforderliche Wert der gleichgerichteten Spannung wird durch den Transformator 8 und der Richtstrom durch den Widerstand 7 reguliert. Bei Erreichen des Bereiches der Arbeitsströme und -Spannungen und bei der betätigten Kühleinrichtung 5 erfogt ei-lo ne Selbsterwärmung des Gebrauchselementes 2 (Fig. 1), und längs diesen entsteht ein Temperaturgefälle. Die Temperatur des heissen Teiles des Gebrauchselementes 2 sorgt für eine bipolare Eigenleitung. Hierbei wird mindestens ein Teil des Volumens des Gebrauchselementes 2 mit inhomogener Temperatur 15 eine bipolare Leitfähigkeit aufweisen, d.h. er wird mit im Temperaturfeld befindlichen Elektronen und Löchern angereichert. Da das Gebrauchtselement 2 aus einem Werkstoff mit verschiedenen Temperaturabhängigkeiten der Elektronen- und der Löcherbeweglichkeit ausgeführt ist, so wird im Gebrauchselement 20 2 nach dem Temperaturgefälle ein Gradient des Verhältnisses der Elektronen- zur Löcherbeweglichkeit (db/dx) eingestellt: For the work, the device 1 is switched into an AC circuit (FIG. 2) in series with a load 6 and a resistor 5 via a regulating transformer 8. The required value of the rectified voltage is regulated by the transformer 8 and the directional current by the resistor 7. When the range of the working currents and voltages is reached and when the cooling device 5 is actuated, self-heating of the usage element 2 takes place (FIG. 1), and a temperature gradient arises along the latter. The temperature of the hot part of the utility element 2 ensures bipolar self-conduction. Here, at least a part of the volume of the utility element 2 with inhomogeneous temperature 15 will have a bipolar conductivity, i.e. it is enriched with electrons and holes in the temperature field. Since the used element 2 is made of a material with different temperature dependencies of the electron and hole mobility, a gradient of the ratio of the electron to hole mobility (db / dx) is set in the use element 20 2 according to the temperature gradient:

b = b (T) = ^ (I? = c-T° b = b (T) = ^ (I? = c-T °

Up U ) Up U)

25 25th

worin ^ — die Elektronenbeweglichkeit, where ^ - electron mobility,

Up — die Löcherbeweglichkeit, Up - the hole mobility,

c — ein Zahlenfaktor ist. c - is a number factor.

30 Dies führt zu einer Änderung des Injektionswirkungsgrades y am Gebrauchselement 2 nach dem Temperaturgefälle: 30 This leads to a change in the injection efficiency y on the usage element 2 according to the temperature gradient:

1 1

Y W = Y W =

1 + _-b(x) P 1 + _-b (x) P

worin n — die Elektronendichte, where n - the electron density,

p — die Löcherdichte ist. p - is the hole density.

Für das Eigenleitungsgebiet wird der Injektionswirkungs-40 grad betragen: For the intrinsic area, the injection effect will be 40 degrees:

Y(x) = -rrW Y (x) = -rrW

Der Durchfluss des Stromes durch die Abschnitte des Ge-45 brauchselementes 2 mit verschiedenen Werten des Injektionswirkungsgrades y führt zu einer Injektion oder Extraktion von Überschussladungsträgern in Abhängigkeit von der gegenseitigen Richtung des Temperaturgefälles dT/dx und der Stromdichte j. The flow of the current through the sections of the utility element 2 with different values of the injection efficiency y leads to an injection or extraction of excess charge carriers depending on the mutual direction of the temperature gradient dT / dx and the current density j.

so Im Falle der Eigenleitung wird die Überschusslöcherdichte Ap durch den Gradienten des Verhältnisses der Beweglichkeiten durch die Stromdichte bestimm: So in the case of intrinsic conduction, the excess hole density Ap is determined by the gradient of the ratio of the mobilities through the current density:

x*AT x * AT

worin x — die Wärmeleitzahl des Werkstoffes des Gebrauchselementes 2; where x - the thermal conductivity of the material of the usage element 2;

AT — der Temperaturunterschied an den Stirnseiten des AT - the temperature difference at the front of the

Gebrauchselementes 2 in der Gegend der Kontakte 3 und 4; Usage element 2 in the area of contacts 3 and 4;

/ — die Länge des Gebrauchselementes 2, / - the length of the utility element 2,

S — die Querschnittsfläche des Gebrauchtselementes 2 S - the cross-sectional area of the used element 2

ist. is.

Gemäss der Erfindung darf der Wert des Temperaturgefäl-02 T According to the invention, the value of the temperature gradient-02 T

les nicht unter —*-g- liegen, worin T — die Temperatur in les are not less than - * - g-, where T - is the temperature in

°K, b — das Verhältnis der Elektronen- zur Löcherbeweglichkeit ist. In der Praxis ist ein höchstmögliches Temperaturgefälle anzustreben, um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten. ° K, b - is the ratio of electron to hole mobility. In practice, the highest possible temperature gradient should be striven for in order to ensure high efficiency.

Ap = p - Po = Ap = p - Po =

Jt q(b + 1Y Jt q (b + 1Y

db dx worin q — eine Elektronenladung, db dx where q - an electron charge,

t — die Lebensdauer der Überschlussladungsträger, j — die Stromdichte ist. t - the lifetime of the excess charge carriers, j - the current density.

60 Im bekannten Verfahren wird db/dx durch ein Temperaturgefälle, eine Erwärmungs- und eine Kühleinrichtung erzeugt. Die Gleichrichtung hängt also im bekannten Verfahren von der Stromdichte linear ab. 60 In the known method, db / dx is generated by a temperature gradient, a heating and a cooling device. The rectification therefore depends linearly on the current density in the known method.

Gemäss der Erfindung wird der Gradient des Verhältnisses 65 (db/dx) der Beweglichkeiten durch eine Selbsterhitzung erzeugt: According to the invention, the gradient of the ratio 65 (db / dx) of the mobilities is generated by self-heating:

, db b dT , db b dT

b = c-T", — = <!•-=;•—-,— dx T dx b = c-T ", - = <! • - =; • —-, - dx T dx

662 445 662 445

4 4th

In erster Näherung gilt dT _ jV dx ~ T" In the first approximation dT _ jV dx ~ T "

worin V — der Spannungsabfall am Gebrauchselement 2 ist. Dann hängt die Überschussladungsträgerdichte (Ap) gemäss der Erfindung von der Stromdichte quadratisch ab: where V - is the voltage drop across the utility element 2. Then the excess charge carrier density (Ap) depends on the current density quadratically according to the invention:

Beispiel 1 example 1

Für einen Arbeitsstrom I = 0,02 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des db For a working current I = 0.02 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the db

5 Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten —5— = 5 utility element 2 with a value of the gradient —5— =

dx dx

0,2. Hierbei betrug der Wirkungsgrad der Einrichtung 10%, die Leistung N = 1,5 W. 0.2. The efficiency of the device was 10%, the power N = 1.5 W.

Ap = Ap =

a*j2* V*t _b X-q(b + l)2 T a * j2 * V * t _b X-q (b + l) 2 T

worin a — der Wert des Exponenten der Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Elektronen zur Löcherbeweglichkeit, where a - the value of the exponent of the temperature dependence of the ratio of electrons to hole mobility,

j — die Stromdichte, j - the current density,

V — der Spannungsabfall am Gebrauchselement 2, b — das Verhältnis der Elektronen- zur Löcherbeweglichkeit, V - the voltage drop across the utility element 2, b - the ratio of the electron mobility to the hole mobility,

x — die Wärmeleitzahl des Werkstoffes des Gebrauchselementes 2, x - the thermal conductivity of the material of the usage element 2,

q — eine Elektronenladung, q - an electron charge,

T — die Temperatur in °K, T - the temperature in ° K,

t — die Lebensdauer von Überschussladungsträgern ist. t - is the lifespan of excess load carriers.

Beim Betrieb der Einrichtung entsteht eine Mitkopplung zwischen der Stromdichte und der Konzentration von injizierten Ladungsträgern, weshalb der Gleichrichterfaktor und demzufolge der Wirkungsgrad sprunghaft zunehmen. When the device is operated, there is a positive feedback between the current density and the concentration of injected charge carriers, which is why the rectifier factor and consequently the efficiency increase suddenly.

Fallen die Richtungen des Stroms und des Temperaturgefälles zusammen, werden die Überschussladungsträger von den einen Bereichen des Gebrauchselementes 2 in die anderen injiziert, der Widerstand des Gebrauchselementes 2 nimmt ab, die Einrichtung 1 (Fig. 1) lässt den Strom durch. If the directions of the current and the temperature gradient coincide, the excess charge carriers are injected from one area of the usage element 2 into the other, the resistance of the usage element 2 decreases, the device 1 (FIG. 1) lets the current through.

Die Richtung des Temperaturgradienten im Gebrauchselement 2 (Fig. 1) hängt von der Stromrichtung nicht ab und wird durch die Anordnung der Kühleinrichtung 5 bezüglich der Stirnseiten des Gebrauchselementes 2 bestimmt. Deshalb sind in der nächsten Halbperiode der Strom und der Temperaturgradient entgegengesetzt gerichtet, es erfolgt eine Extraktion von Überschussladungsträgern; der Widerstand des Gebrauchselementes nimmt zu; die Einrichtung begrenzt den Stromwert. The direction of the temperature gradient in the use element 2 (FIG. 1) does not depend on the direction of the current and is determined by the arrangement of the cooling device 5 with respect to the end faces of the use element 2. For this reason, the current and the temperature gradient are directed in the opposite direction in the next half period, and excess charge carriers are extracted; the resistance of the usage element increases; the device limits the current value.

Aus der oben angeführten Formel ist es ersichtlich, dass Ap, dessen Wert die Gleichrichtung bestimmt, vom Parameter a abhängig ist. Bei der Auswahl des Halbleiterwerkstoffes ist bei sonst gleichen Parametern (x, %, b) ein Werkstoff mit dem höchstmöglichen Wert von a zu wählen. Als Halbleiterwerkstoff ist bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens das Germanium (a = 0,67) beispielsweise dem Silizium (a = 0,3) vorzuziehen. From the above formula it can be seen that Ap, the value of which determines the rectification, depends on the parameter a. When selecting the semiconductor material, with otherwise identical parameters (x,%, b), a material with the highest possible value of a must be selected. As the semiconductor material, germanium (a = 0.67), for example, silicon (a = 0.3) is preferable to the method according to the invention.

Die Halbleiter mit einem Wert von a kleiner als 0,1 können nicht mit den bekannten Halbleiterdioden konkurrieren. The semiconductors with a value of less than 0.1 cannot compete with the known semiconductor diodes.

Es seien Varianten einer konkreten Ausführung der Einrichtung 1 nach Fig. 1 mit dem aus Germanium hergestellten Gebrauchselement 2 angeführt. Für das Germanium beträgt der Exponent a der Temperaturabhängigkeit bei einer Streuung des Stroms an thermischen Gitterschwingungen 0,67. Variants of a concrete embodiment of the device 1 according to FIG. 1 with the usage element 2 made of germanium are mentioned. For the germanium, the exponent a of the temperature dependence when the current is scattered by thermal lattice vibrations is 0.67.

Das Gebrauchselement 2 ist beispielsweise aus p-leitendem Germanium mit einem spezifischen Widerstand p = 40 Ohm-cm in Form einer rechteckigen Platte der Abmessungen 2,0 x 1,0 x 1,0 mm hergestellt. Die sperrschichtfreien Kontakte 3 und 4 sind durch Einlegieren einer Indium-Antimon-Legie-rung in die Stirnseiten des Gebrauchselementes 2 erzeugt. Die Kühleneinrichtung 5 ist aus einem Kupfergerippe hergestellt und wird wassergekühlt. The utility element 2 is made, for example, of p-type germanium with a specific resistance p = 40 ohm-cm in the form of a rectangular plate with the dimensions 2.0 × 1.0 × 1.0 mm. The barrier layer-free contacts 3 and 4 are produced by alloying an indium-antimony alloy into the end faces of the usage element 2. The cooling device 5 is made of a copper frame and is water-cooled.

Es wird auf Beispiele von Betriebsarten der obengenannten Ausführungsform der Einrichtung 1 eingegangen. Examples of operating modes of the above-mentioned embodiment of the device 1 will be discussed.

10 Beispiel 2 10 Example 2

Für einen Arbeitsstrom I = 0,5 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des db For a working current I = 0.5 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the db

Gebrauchselenjentes 2 mit einem Wert des Gradienten = Use element 2 with a value of the gradient

2,0. Hierbei betrug der Wirkungsgrad ti der Einrichtung 50%, die Leistung N = 7 W. 2.0. The efficiency ti of the device was 50%, the power N = 7 W.

Beispiel 3 Example 3

20 Für einen Arbeitsstrom I = 1,0 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des db 20 For a working current I = 1.0 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the db

Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten —=— = Usage element 2 with a value of the gradient - = - =

dx dx

25 2,5. Hierbei betrug der Wirkungsgrad ri der Einrichtung 90%, die Leistung N = 100 W. 25 2.5. The efficiency ri of the device was 90%, the power N = 100 W.

Beispiel 4 Example 4

Für einen Arbeitsstrom I = 4,0 A gewährleisteten die ge-30 wählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des db For a working current I = 4.0 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the db

Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten • Utility element 2 with a value of the gradient •

dx dx

4.0. Hierbei betrug der Wirkungsgrad 11 der Einrichtung 99%, 35 die Leistung N = 2 kW. 4.0. The efficiency 11 of the device was 99%, 35 the power N = 2 kW.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Einrichtung 1 nach Fig. 1 ist das Gebrauchselement 2 aus Silizium. Für Silizium beträgt der Exponent a der Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Elektronen- zur Löcherbeweglichkeit 0,3. 40 Das Gebrauchselement 2 sei aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand p = 1200 Ohm-cm in Form einer rechteckigen Platte der Abmessungen 4,0 x 1,0 x 1,0 mm hergestellt. Die sperrschichtfreien Kontakte 3 und 4 wurden durch Einlegieren von Aluminium in die Stirnseiten des Gebrauchsele-45 mentes 2 erzeugt. Das Gebrauchselement 2 wurde an die Kühleinrichtung 5 mit Hilfe eines speziellen Lötmetalls angelötet. Die Kühleinrichtung 5 aus einem Kupfergerippe wurde wassergekühlt. In a further embodiment variant of the device 1 according to FIG. 1, the usage element 2 is made of silicon. For silicon, the exponent a of the temperature dependence of the ratio of electron to hole mobility is 0.3. 40 The usage element 2 is made of p-type silicon with a specific resistance p = 1200 ohm-cm in the form of a rectangular plate measuring 4.0 x 1.0 x 1.0 mm. The barrier layer-free contacts 3 and 4 were produced by alloying aluminum into the end faces of the use element 45. The usage element 2 was soldered to the cooling device 5 with the aid of a special solder. The cooling device 5 made of a copper frame was water-cooled.

Betrachten wir Beispiele von Betriebsarten der Einrichtung 1 50 mit dem Gebrauchselement 2 aus Silizium. Let us consider examples of operating modes of the device 1 50 with the usage element 2 made of silicon.

Beispiel 1 example 1

Für einen Arbeitsstrom I = 1,4 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung 55 mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des For a working current I = 1.4 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection 55 with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the

Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten = Use element 2 with a value of the gradient

dx dx

1.1. Hierbei betrug der Wirkungsgrad ti 75%, die Leistung N = 500 W. 1.1. The efficiency ti was 75%, the power N = 500 W.

60 60

Beispiel 2 Example 2

Für einen Arbeitsstrom I = 1,5 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des For a working current I = 1.5 A, the selected dimensions of the usage element 2 in connection with the cooling device 5 ensured an inhomogeneous self-heating of the

65 Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten - ^ 65 utility element 2 with a value of the gradient - ^

dx dx

1,23. Hierbei betrug der Wirkungsgrad t| 78%, die Leistung N = 600 W. 1.23. The efficiency was t | 78%, the power N = 600 W.

Beispiel 3 Example 3

Für einen Arbeitsstrom I = 1,8 A gewährleisteten die gewählten Abmessungen des Gebrauchtselementes 2 in Verbindung mit der Kühleinrichtung 5 eine inhomogene Selbsterhitzung des Gebrauchselementes 2 mit einem Wert des Gradienten For an operating current I = 1.8 A, the selected dimensions of the used element 2 in conjunction with the cooling device 5 ensured inhomogeneous self-heating of the used element 2 with a value of the gradient

^ = 1,25. Hierbei betrug der Wirkungsgrad ti 82%, die Leistung N = 650 W. ^ = 1.25. The efficiency ti was 82%, the power N = 650 W.

Die Einrichtung 1 (Fig. 1) in Schaltung nach Fig. 2 führt Strom im Laufe einer Halbperiode, d.i. eine Einweggleichrichtung. The device 1 (Fig. 1) in the circuit according to Fig. 2 carries current in the course of a half period, i.e. a one-way rectification.

Zur Benutzung der beiden Halbperioden des Wechselstroms kann die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Einrichtung 9 angewendet werden, indem diese in die elektrische Schaltung nach Fig. 4 eingeführt wird. Die Einrichtung 9 (Fig. 3) stellt eine Variante der Einrichtung 1 (Fig. 1) dar, bei der das Gebrauchselement 10 (Fig. 3) U-förmig mit drei sperrfreien Kontakten ausgeführt ist. Der kalte Kontakt 11 wird an die Mittelanzapfung des Transformators 8 (Fig. 4) gelegt. Die warmen Kontakte 12 und 13 (Fig. 3) werden an die Anschlüsse des Transformators 8 (Fig. 4) geführt. In derartiger Ausführung werden durch die Einrichtung 9 in Schaltung nach Fig. 4 die beiden Halbperioden des Wechselstroms gleichgerichtet. The embodiment of the device 9 shown in FIG. 3 can be used to use the two half-periods of the alternating current by inserting it into the electrical circuit according to FIG. 4. The device 9 (FIG. 3) represents a variant of the device 1 (FIG. 1), in which the usage element 10 (FIG. 3) is U-shaped with three non-blocking contacts. The cold contact 11 is placed on the center tap of the transformer 8 (Fig. 4). The warm contacts 12 and 13 (FIG. 3) are led to the connections of the transformer 8 (FIG. 4). In such an embodiment, the two half-periods of the alternating current are rectified by the device 9 in the circuit according to FIG. 4.

Es wird auf eine konkrete Ausführungsform der Einrichtung 9 eingegangen. Das Gebrauchselement 10 (Fig. 3) ist aus p-Germanium mit einem spezifischen Widerstand p = 40 Ohm • cm hergestellt. Die zwei Zweige des U-Gebrauchselemen-tes 10 besitzen eine gemeinsame Basis. Die Abmessungen jedes Zweiges betragen 2x1x1 mm. Die Masse der Basis sind 2,5 x 1, x 0,2 mm. A specific embodiment of the device 9 is discussed. The use element 10 (FIG. 3) is made of p-germanium with a specific resistance p = 40 ohm • cm. The two branches of the U utility element 10 have a common basis. The dimensions of each branch are 2x1x1 mm. The dimensions of the base are 2.5 x 1 x 0.2 mm.

Das Gebrauchselement 10 weist drei sperrfreie Kontakte 11, 12, 13 auf die durch Einschmelzen einer Indium-Antimon-Le-gierung in die gemeinsame Stirnseite eines jeden Gebrauchselementes 10 (Kontakt 11) und in die Stirnseite eines jeden der Zweige (Kontakte 12 und 13) hergestellt sind. Das Gebrauchs-element 10 ist an eine Kühleinrichtung 14 an der Seite der gemeinsamen Basis angelötet. Die Kühleinrichtung 14 ist aus einem Kupfergerippe hergestellt und ist wassergekühlt. Die Betriebsarten der Einrichtung 9 fallen praktisch mit den vorstehend betrachteten Beispielen der Betriebsart der Einrichtung 1 (Fig. 1) mit dem aus Germanium hergestellten Gebrauchselement 2 zusammen. The usage element 10 has three non-blocking contacts 11, 12, 13 which are melted by melting an indium-antimony alloy into the common end face of each usage element 10 (contact 11) and into the end face of each of the branches (contacts 12 and 13). are made. The utility element 10 is soldered to a cooling device 14 on the side of the common base. The cooling device 14 is made of a copper frame and is water-cooled. The operating modes of the device 9 practically coincide with the examples of the operating mode of the device 1 (FIG. 1) considered above with the usage element 2 made of germanium.

Zur Erweiterung von möglichen Funktionen der Einrichtung ist es zweckmässig, gemäss Fig. 5 eine Kühleinrichtung 15 ver662 445 To expand possible functions of the device, it is expedient, according to FIG. 5, to have a cooling device 15 ver662 445

schiebbar entlang des Gebrauchselementes 16 auszuführen, in der Mitte des Gebrauchselements 16 einen sperrschichtfreien Kontakt 17 und an den Stirnflächen des Gebrauchselementes 16 sperrschichtfreie Kontakte 18 und 19 anzuordnen. Ist die Kühleinrichtung 15 an einer der Stirnseiten des Gebrauchselementes 16 angeordnet, so wird der Strom durch die Einrichtung bei deren Einschaltung in den Stromkreis durch die Kontakte 18 und 19 gleichgerichtet, indem sie die gleichen Funktionen wie auch die Einrichtung 1 (Fig. 1) erfüllt. to be slidable along the usage element 16, in the middle of the usage element 16 to arrange a barrier-free contact 17 and on the end faces of the usage element 16 barrier-free contacts 18 and 19. If the cooling device 15 is arranged on one of the end faces of the use element 16, the current through the device is rectified when it is switched into the circuit through the contacts 18 and 19 by performing the same functions as the device 1 (FIG. 1) .

Bei der Anordnung der Kühleinrichtung 15 in der Mitte des Gebrauchselementes 16 stellt die Einrichtung, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, gleichsam zwei Einrichtungen 1 gemäss der ersten Ausführungsform dar, die in Sperrichtung hintereinander geschaltet sind. In derartiger Stellung der Kühleinrichtung 15 ist der Widerstand der Einrichtung maximal, und sie begrenzt den Strom für eine beliebige Halbperiode der Spannung. Sind die Kontakte 18 und 19 (Fig. 6) durch einen gemeinsamen Ausgang verbunden, so wird sie bei der Einschaltung der Einrichtung in den Stromkreis über die Kontakte 17 und 18 oder 17 und 19 einen minimalen Wechselstromwiderstand aufweisen, weil jede Hälfte der Einrichtung erst in der einen der Halbperioden des Wechselstroms leitend werden wird. When the cooling device 15 is arranged in the center of the usage element 16, the device, as shown in FIG. 5, represents, as it were, two devices 1 according to the first embodiment, which are connected in series in the blocking direction. In such a position of the cooling device 15, the resistance of the device is maximum and it limits the current for any half period of the voltage. If the contacts 18 and 19 (FIG. 6) are connected by a common output, they will have a minimal AC resistance when the device is switched into the circuit via the contacts 17 and 18 or 17 and 19, because each half of the device is only in one of the half-periods of the alternating current will become conductive.

Betrachten wir die Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 5 und 6. Let us consider the embodiment of the device according to FIGS. 5 and 6.

Das Gebrauchselement 16 aus Germanium mit einem spezifischen Widerstand p = 40 Ohm-cm hat die Form eines Zylinders von 5 cm Länge und 5 mm Durchmesser. Stirnseitig und in der Mitte des Gebrauchselementes 16 sind die Kontakte 17, 18, 19 aus einer Indium-Antimon-Legierung eingeschmolzen. The use element 16 made of germanium with a specific resistance p = 40 ohm-cm has the shape of a cylinder 5 cm long and 5 mm in diameter. The contacts 17, 18, 19 of an indium-antimony alloy are melted on the face and in the middle of the use element 16.

Die Kühleinrichtung 15 ist aus Kupfer mit einer Luftkühlung ausgeführt und hat die Möglichkeit, sich längs des Gebrauchselementes 16 zu verschieben. Die Kühleinrichtung 15 hat einen guten Kontakt mit dem Gebrauchselement 16, wobei die Dicke der Kühleinrichtung 15 5 mm beträgt. Die Kühleinrichtung 15 weist eine mit Rippen versehene Aussenfläche auf. The cooling device 15 is made of copper with air cooling and has the possibility of moving along the usage element 16. The cooling device 15 is in good contact with the usage element 16, the thickness of the cooling device 15 being 5 mm. The cooling device 15 has an outer surface provided with ribs.

Die Anwendung der erfindungsgemässen Erkenntnisse erhöht den Wirkungsgrad der Gleichrichter, die keine eingebauten Gleichrichtersperrschichten besitzen, vereinfacht und verbilligt die Konstruktion der Halbleiter-Leistungsgleichrichter, gestattet es, höhere Spannungen und Ströme gleichzurichten sowie die Stromstärke in Stromkreisen zu steuern. The use of the knowledge according to the invention increases the efficiency of the rectifiers which have no built-in rectifier barrier layers, simplifies and reduces the cost of the construction of the semiconductor power rectifiers, allows higher voltages and currents to be rectified and the current strength in circuits to be controlled.

Das aussichtsreichste Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Gleichrichtern für die Leistungselektrik. The most promising field of application of the present invention is the manufacture of rectifiers for power electronics.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

662 445

1. Procedure for rectifying AC by

Generation of a gradient (- ^ -) of the ratio (b) of the

Electron to hole mobility in a semiconductor with dT

With the aid of a temperature gradient (- characterized in that the temperature gradient (- and a bipolar conductivity are generated by self-heating of the semiconductor in combination with cooling of a part thereof, in which the value of the exponent a of the temperature dependence of the ratio b of the electron to hole mobility, ie bs Ta, is at least 0.1.

2. Device for performing the method according to claim 1 with a semiconductor use element (2, 10, 16) with barrier-free contacts and with a cooling device (5, 14, 15) adjacent to the use element, characterized in that the dimensions of the use element and its Operating current I are selected such that the following inequality is fulfilled:

L1 / 3'S_I> 4 (^), / 3-o0-

in which

- L: the length of the usage element,

- S: its cross-sectional area,

- 0O: its specific intrinsic conductivity, and

- X: its thermal conductivity,

- I: the operating current,

_ T-Hp-a-b. •

= (b +1) T 'furniture

- b the ratio of electron mobility | xe to Lö

mobility (Xp,

- t the lifespan of the excess charge carriers,

- T the average temperature of the usage element,

- a is the value of the exponent of the temperature dependence of b: b (T) ~ Ta in units of the SI system, in order to use the rectifying current and the cooling device (6, 15) to achieve inhomogeneous self-heating with a gradient -gj- of at least 0.2 cm "1 and to achieve the bipolar conductivity of the semiconductor element.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Device according to claim 2, characterized in that the cooling device (15) along the use element (16) is displaceable.