DE1090002B - Verfahren zur Herstellung der reversiblen Ansprechbarkeit von Halbleiterelementen auf Gase od. dgl. und Messeinrichtung zum Untersuchen von Gasen od. dgl. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung der reversiblen Ansprechbarkeit von Halbleiterelementen auf Gase od. dgl. und Messeinrichtung zum Untersuchen von Gasen od. dgl.

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DE1090002B DEM39483A DEM0039483A DE1090002B DE 1090002 B DE1090002 B DE 1090002B DE M39483 A DEM39483 A DE M39483A DE M0039483 A DEM0039483 A DE M0039483A DE 1090002 B DE1090002 B DE 1090002B
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Mine Safety Appliances Co
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der reversiblen Ansprechbarkeit von Halbleiterelementen (Dioden und Transistoren) auf Gase, Dämpfe od. dgl., welche Ionen, polare Moleküle, geladene Teilchen oder leicht ionisierbare oder polarisierbare Atome oder Moleküle enthalten, und eine Meßeinrichtung zum Untersuchen von Gasen, Dämpfen od. dgl. mittels eines derart stabilisierten Halbleiterelements.
Es ist bereits bekannt, daß gewisse elektrische Eigenschaften von Halbleiterelementen durch die Gegenwart bestimmter Gase oder Dämpfe beeinflußt werden. Die in diesem Zusammenhang bisher verwendeten Halbleiterelemente haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, insbesondere geringe Empfindlichkeit und geringe Stabilität, die sie in der Praxis für die Untersuchung von Gasen wenig oder gar nicht geeignet erscheinen lassen.
Die bei der Erfindung benutzten Halbleiterelemente enthalten eine Verbindungs- oder Kontaktstelle zwisehen einem ersten Halbleiter und entweder einem zweiten, vom ersten verschiedenen Halbleiter oder einem \letall. Die beiden wichtigsten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium; es können aber auch andere Stoffe \-erwendet werden. Es wurde gefunden, daß die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern, insbesondere Silizium und Germanium, nicht nur durch geladene Teilchen, wie z. B. Ionen oder Elektronen, erheblich beeinflußt werden, sondern auch durch polare Moleküle, wie z. B. Wasserdampf, Aikohol, Azeton usw., sowie auch durch Moleküle, welche leicht durch schwache elektrische Felder polarisiert oder ionisiert werden können, beispielsweise Sauerstoff, Chlor, Fluor od. dgl. Alle diese Teilchen werden im folgenden »elektrisch wirksame Teilchen« genannt. Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters, die durch solche Teile beeinflußt werden können, sind Oberfiächenpotential, Ladungsdichte, Leitfähigkeit, Arbeitsfunktion, Fermispiegel von Elektronen oder Löchern (Elektronenverarmungen), die Beweglichkeit von Elektronen oder Löchern u. dgl. Die Halbleiterelemente nach der Erfindung sind in besonderem Maße zum Nachweis von Gasen oder Dämpfen geeignet, die elektrisch wirksame Teilchen enthalten; sie können aber auch in Verbindung mit Flüssigkeiten oder mit festen Teilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, verwendet werden.
Die Erfindung unterscheidet sich von bekannten früheren Experimenten und Untersuchungen unter anderem dadurch, daß der gemessene Strom durch eine Grenzfläche oder Grenzstelle, d. h. durch eine Verbindungs- oder Kontaktstelle zwischen einem ersten Halbleiter und einem zweiten Halbleiter oder einem Metall fließt, nicht jedoch lediglich an der Oberfläche Verfahren zur Herstellung
der reversiblen Ansprechbarkeit
von Halbleiterelementen auf Gase od. dgl.
und Meßeinrichtung zum Untersuchen
von Gasen od. dgl.
Anmelder:
Mine Safety Appliances Company,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. G. W. Schmidt, Patentanwalt,
München 5, Buttermelcherstr. 19
Moses G. Jacobson, Penn Township, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
entlang oder durch die Masse des Materials hindurch. Dies hat verschiedene wesentliche Unterschiede zur Folge. Erstens müssen die Stromträger durch die Oberfläche des Halbleiters hindurchtreten, d. h., bevor sie die Masse des Materials erreichen, müssen sie eine dünne Schicht passieren, die sich im sogenannten Oberflächenzustand befindet. Diese Schicht oder dieser Zustand unterscheidet sich in ihren elektrischen Eigenschaften im allgemeinen wesentlich von der übrigen Masse des Materials; ihre elektrischen Eigenschaften werden durch die sie umgebende Atmosphäre beeinflußt. Zweitens ist die Oberfläche des Halbleiters in der Xähe der Grenzfläche infolge der Gegenwart des anderen Leiters geladen, wodurch eine Schicht gebildet wird, die in manchen Theorien als elektrische Doppelschicht oder als Sperrschicht bezeichnet wird. Drittens hat die Atmosphäre lediglich die verhältnismäßig kleinen Flächen rings um die Grenzstelle herum zu beeinflussen und nicht die ganze Fläche zwischen den leitenden Elektroden. Viertens erfolgt die Messung zur Bestimmung chemischer Bestandteile der Atmosphäre in Sperrichtung, wobei die Änderung der Anzahl und Beweglichkeit der Minderheitsträger zur Geltung kommt, so daß die auf die Mehrheitsträger ausgeübte Wirkung im wesentlichen ausgeschaltet wird, die im allgemeinen Komplizierungen mit sich bringt.
Bei der Entwicklung einer Vorrichtung, die zur Untersuchung von Gasen geeignet ist, sind gewisse grundlegende Erwägungen von ausschlaggebender Bedeutung. Zunächst muß der Halbleiter so ausgebildet sein, daß er eine hohe Empfindlichkeit für das anzu-
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zeigende Gas od. dgl. hat. Mit anderen Worten: Verhältnismäßig geringe Änderungen der Konzentration der Atmosphäre müssen verhältnismäßig große Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiters hervorrufen. Bei den meisten früheren Versuchen sowie auch im Anfang der Entwicklung der vorliegenden Erfindung war es erforderlich, Röhrenverstärker zu benutzen, um die Wirkungen selbst hoher Gas- oder Dampfkonzentrationen der umgebenden Atmosphäre erkennen zu können. Durch die Erfindung wurden \Terfahren und Vorrichtungen entwickelt, die es ermöglichen, nicht nur hohe Konzentrationen von Gasen und Dämpfen festzustellen, sondern deren Menge sogar zu messen, wenn sie die Größenordnung weniger Teile pro Million hat. und dies mit handelsüblichen Meßinstrumenten ohne die Anwendung von Röhrenverstärkern oder sonstigen Verstärkern. Dies wurde in erster Linie durch die besondere Ausbildung der Dioden oder Transistoren erreicht.
Eine zweite wesentliche Bedingung, die erfüllt werden muß, um eine für die Praxis geeignete Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen zu schaffen, ist die, daß die Empfindlichkeit so stabilisiert werden muß, daß die durch ein bestimmtes Gas od. dgl. hervorgerufene Anzeige jederzeit mit Sicherheit wiederholbar ist. gleichgültig welchen anderen Gasen, Dämpfen oder elektrischen Einflüssen die \"orrichtung in der Zwischenzeit ausgesetzt war. L*m dies zu erreichen, müssen alle elektrischen und chemischen \~orgänge, die auf den Halbleiter einwirket!, wenn er mit oder ohne Einwirkung von elektrischen Einflüssen verschiedenen Atmosphären ausgesetzt wird, nach Möglichkeit reversibel sein. Wenn die Vorrichtung irgendeine nicht reversible Veränderung erleidet, kehrt sie nach Entfernung des zu untersuchenden Gases od. dgl. nicht wieder in ihren Ausgangszustand zurück, was zur Folge hat. daß die nächstfolgende Anzeige nicht mit der vorhergehenden Anzeige übereinstimmt. Darüber hinaus hat eine dauernde, von einem Versuch zurückbleibende Änderung die Tendenz, sich allmählich zu vergrößern, so daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung für den zu messenden Stoff sich erheblich verringert oder ganz verlorengeht. Es kann auch vorkommen, daß eine bestimmte bleibende Änderung die Vorrichtung für Änderungen anderer Stoffe empfindlieber macht, die im allgemeinen in einer normalen Atmosphäre enthalten sind. Wenn diese letzteren Einflüsse ebenfalls nicht reversibel sind, werden die Meßergebnisse naturgemäß sehr stark voneinander abweichen.
Die elektrischen Werte werden vorzugsweise während des Durchganges des Stromes in Sperrichtung durch die Kontakt- oder Grenzfläche des Halbleiterelement* gemessen, um die Anwesenheit gewisser Gase in der Atmosphäre anzuzeigen. Vor der \*ornahme dieser Messungen wird das Halbleiterelement stabilisiert, d. h., es wird die reversible Ansprechbarkeit gegenüber den Einflüssen der Atmosphäre hergestellt.
Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß durch das Halbleiterelement in Gegenwart eines elektrisch wirksame Teilchen enthaltenen Gases od. dgl. — beispielsweise Sauerstoff, Wasserdampf oder Gas mit einem Polarmolekül (HCl, XH3) — für eine vorherbestimmte Zeit ein Strom vorherbestimmter Stärke in Leitrichtuug hindurchgeschickt wird. Hierbei wird der Strom vorzugsweise bis auf einen Wert gesteigert, der etwas unterhalb des Wertes liegt, bei dem ein Durchbrennen des Halbleiterelements erfolgen würde. Der hindurchgeschickte Strom wird vorzugsweise in kleinen aufeinanderfolgenden Schritten bis zum plötzliehen schnellen Stromanstieg erhöht und dann für kurze Zeit, vorzugsweise nicht mehr als 30 Sekunden, die der Stromregulierung dienende Einrichtung unverändert beibehalten, worauf eine schrittweise Verringerung des Stromes zwecks Abkühlung des Halbleiterelements vorgenommen wird. Diese \erfahrensschritte werden ein oder mehrere Male, vorzugsweise dreimal, wiederholt.
Es ist wichtig, daß diese Stabilisierung durch Hindurchschicken eines Stromes in Gegenwart einer Atmosphäre erfolgt, die mindestens eine geringe Menge von Gasen enthält, welche elektrisch wirksame Teilchen enthalten, beispielsweise Wasserdampf. Das Verfahren ergibt keine brauchbaren Ergebnisse mit reiner, nicht ionisierter Luft oder mit Stickstoff. Es werden jedoch gute Ergebnisse erzielt, wenn beispielsweise einer trockenen Stickstoffatmosphäre geringe Mengen eines anderen Gases als Wasserdampf, welches polare Moleküle enthält, beispielsweise HCl oder NH3, zugegeben werden. Die Empfindlichkeit eines Halbleiterelements für ein gegebenes Gas od. dgl. schwankt erheblich mit der Art der elektrisch wirksamen Teilchen, die bei dem Stabilisierungsverfahren verwendet werden. Wie aus der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele ersichtlich, ergibt sich hierdurch eine Anzahl von Möglichkeiten zur Erzielung einer Selektivität gegenüber verschiedenen Atmosphären.
Diese und andere Tatsachen führten den Erfinder zur Aufstellung einer Theorie dessen, was während des Stabilisierungsvorganges geschieht. Der starke, in Leitrichtung hindurchgeschickte Strom führt eine große Anzahl von Mehrheitsträgern (im Falle eines N-Typ-Materials Elektronen) durch die Grenzfläche hindurch. Nachdem diese sich mit einer Anzahl von Minderheitsträgern vereinigt und diese neutralisiert haben und nachdem die Grenzfläche durch die vereinte Wirkung von Wärme und Elektrizität gereinigt ist, erzeugen die überschüssigen Mehrheitsträger eine geladene Oberflächenschicht, besonders wenn der in Leitrichtung hindurchgeschickte Strom verringert oder abgeschaltet wird. Wenn die Atmosphäre elektrisch wirksame Teilchen enthält, werden sie mit dieser geladenen Schicht vereinigt und bilden eine orientierte Schicht von möglicherweise so geringer Stärke, daß sie monomolekular ist. Was aber auch die genaue chemische Natur dieser Schichten sein mag, fest steht, daß die auf den Grenzflächen der Halbleiterelemente in dieser Weise gebildeten Schichten sehr dauerhaft, d. h. schwer zu entfernen sind und daß sie die Oberflächeneigeuschaften der Halbleiterelemente lange Zeit hindurch gegenüber den verschiedensten Einflüssen konstant erhalten. Diese Schichten ändern sich nur bei sehr starken elektrischen Überlastungen oder infolge der Einwirkung einiger weniger Stoffe, die in diesem Zusammenhang als »Giftstoffe« anzusehen sind. Es steht ferner fest, daß diese Schichten, wenn sie auch vielleicht nicht monomolekular sind, doch auf jeden Fall eine sehr geringe Stärke haben, etwa in der Größenordnung von wenigen Molekülen; wenn die Halbleiterelemente eine elektrisch polare Natur haben, ändern diese Schichten verschiedene elektrische Eigenschaften des Halbleiterelements durch Absorption und Desorption anderer elektrisch wirksamer Moleküle und Teilchen sowie von Teilchen der gleichen Art in reversibler Weise.
Ausgedehnte Versuche haben gezeigt, daß die absoluten Werte der elektrischen Eigenschaften einer Halbleitergrenzfläche außer von der die Grenzfläche umgebenden Atmosphäre noch von einer Anzahl wei-
terer Variablen abhängen. Zwei dieser Variablen sind die vorherige Geschichte und die Temperatur der Grenzfläche. Eine sinnvolle Anwendung von Halbleiterelementen zur Anzeige von Gasen od. dgl. war nicht möglich, bevor man folgendes erkannt hatte: erstens, daß es möglich ist, ein Stabilisierungsverfahren derart durchzuführen, daß zumindest für eine erhebliche Zeitspanne die Änderung der elektrischen Werte (beispielsweise Widerstand, Strom oder Spannungsabfall), die durch eine gegebene Konzentration eines gegebenen Gases od. dgl. bewirkt wird, konstant bleibt, statt sich kontinuierlich nach oben oder nach unten hin zu verändern, und zweitens, daß nach Durchführung dieses Stabilisierungsvorganges trotz sehr starker Änderungen der absoluten Werte des Widerstandes R, des Spannungsabfalls V, des Stromes/ usw. bei konstantem Kontaktdruck, konstanter Temperatur und konstantem Druck der Atmosphäre usw. die relativen oder prozentualen Änderungen, d. h. die Werte Δ RlRc, JIII c und Δ VIVC, im wesentlichen konstant bleiben. Hierbei ist Rc der absolute Wert des elektrischen Widerstandes, wenn das Halbleiterelement einem gegebenen Gas einer Konzentration C ausgesetzt wird; Ji? ist die Änderung des Widerstandes, die durch die Änderung Δ C der Gaskonzentration hervorgerufen wird, wenn der Strom oder der Spannungsabfall konstant gehalten wird. ΔI und J V sind in ähnlicher Weise Änderungen des Stromes oder des Spannungsabfalls, hervorgerufen durch die Änderung J C, wenn einer oder zwei der drei übrigen Werte 7?, / oder V konstant gehalten werden.
Wenn ein Halbleiterelement in der erfindungsgemäßen Weise stabilisiert ist, ist das Verhältnis der Änderung zum absoluten Wert oder die prozentuale Änderung der gemessenen elektrischen Werte bei Einführung einer gegebenen Menge elektrisch wirksamer Teilchen in die Atmosphäre im wesentlichen konstant und unabhängig vom absoluten Wert dieser Größen. Wenn man also die prozentualen Änderungen der elekirischen Werte und nicht deren absolute Werte feststellt, kann man die Wirkung gewisser Variabler, beispielsweise Temperatur, Kontaktdruck u. dgl., vernachlässigen, so daß die Vorrichtung, die erforderlich ist, um die Änderung der Variablen zu kompensieren, erheblich vereinfacht werden kann.
Die erfindungsgemäße Stabilisierung eines Halbleiterelements verleiht diesem einen hohen Grad der Reversibilität für alle Arten von umgebenden Atmosphären. Das so behandelte Halbleiterelement ergibt daher nicht nur über eine lange Zeitspanne hinweg im wesentlichen identische Ablesungen, sondern ist auch weitgehend unabhängig von der Art der Atmosphären und den elektrischen Bedingungen, denen es in der Zwischenzeit zwischen den einzelnen Messungen ausgesetzt wurde. Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches die Anwendung der Erfindung bei Verwendung von Gleichstrom als Stromquelle zeigt;
Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine als Gasprüfer dienende Diode;
Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine abgeänderte Ausführangsform einer Diode, die bei der Schaltung nach Fig. 1 zur Anwendung kommen kann;
Fig. 4 ist ein Schaltbild für die Anwendung der Erfindung bei Wechselstrom als Stromquelle;
Fig. 5 ist ein weiteres Schaltbild, bei welchem Wechselstrom oder ein Impulsgenerator als Stromquelle zur Anwendung gelangt; Fig. 6 zeigt verschiedene Wellenformen, die dem Verständnis der Fig. 5 dienen;
Fig. 7 ist ein weiteres Schaltbild, bei welchem ein der Kompensierung dienendes Halbleiterelement zur Anwendung gelangt und bei welchem Wechselstrom sowohl für die Messung als auch zur Stabilisierung der Empfindlichkeit \'erwendet wird;
Fig. 8 ist ein weiteres Schaltbild mit einem der Kompensation dienenden Halbleiterelement, bei welchem Wechselstrom entweder in Form wiederkehrender Impulse oder in Form einer Sinuswelle in Verbindung mit gleichgerichtetem Wechselstrom zur Anwendung gelangt, um sowohl die Messungen durchzuführen, als auch eine Stabilisierung der Empfindlichkeit zu erzielen;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer Schaltung, bei welcher ein Flächentransistor als Gasprüfer verwendet wird;
Fig. 10 ist eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 9, bei welcher ein Kontakt- oder Spitzentransistor als Gasprüfer dient;
Fig. 11 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, welche einen der Kontaktfinger des in Fig. 10 dargestellten Transistors zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Schaltung für eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen od. dgl., welche Mittel zur Stabilisierung der Grenzstelle sowie Mittel zur Messung gewisser elektrischer Werte der Grenzstelle enthält, durch welche die Gegenwart elektrisch wirksamer Teilchen in der umgebenden Atmosphäre festgestellt werden soll.
Die Schaltung enthält den eigentlichen Gasprüfer 10 in einer abgeglichenen Brückenschaltung 12. Der Gasprüfer 10 enthält eine Diode oder einen Transistor mit einer Grenzfläche, die teilweise der zu prüfenden Atmosphäre ausgesetzt wird. Wie weiter unten näher beschrieben, wird die Atmosphäre durch eine Einlaßöffnung in ein Gehäuse eingeführt, welches die Diode oder den Transistor umschließt; sie strömt über die Grenzstelle hinweg und verläßt das Gehäuse durch eine Auslaßöffnung. Die Brückenschaltung 12 enthält ein Amperemeter 14, ein Voltmeter 16, einen einstellbaren Widerstand 20 und ein Galvanometer 18 zur Xullanzeige des Brückengleichgewichts und mit einer Skala, welche den Grad der Abweichung nach der einen oder anderen Seite anzeigt. Um eine genaue Messung des Widerstandes der Grenzstelle des Gasprüfers 10 zu ermöglichen, kann der Widerstand 20 als Widerstandskasten in Dekadenanordnung ausgebildet sein, obwohl auch jede andere Ausbildung ähnlicher Genauigkeit verwendet werden kann.
Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen, kann der Gasprüfer 10 ein Gehäuse 122 haben, welches an gegenüberliegenden Enden mit Klemmen 123 und 124 versehen ist, um die elektrischen Verbindungen mit den beiden Seiten einer Diode 126 herzustellen. Das Gehäuse 122 hat ein Einlaßrohr 130, durch welches Gas in das Gehäuse 122 eingeführt wird, und ein Auslaßrohr 131, durch welches das Gas abgeführt wird. Bei dieser Anordnung kann daher ein kontinuierlicher Gasstrom an der Grenzstelle der Diode 126 vorbei durch das Gehäuse hindurchfließen, so daß eine kontinuierliche Messung der elektrischen Größen mit Hilfe der Brückenschaltung 12 erfolgen kann.
Die in Fig. 2 dargestellte Elektrode 126 enthält einen Gleichrichter 127 in Form eines Germaniumplättchens, das mit der Klemme 124 verbunden ist, und einen elastischen Metalldraht 128, der mit der Klemme 123 verbunden ist. Die Klemme 123 ist von der Klemme 124 durch die obere Wandung 122 a des
Gehäuses 122 isoliert, weiche aus Kunststoff oder einem anderen Isoliermaterial besteht. Für den Fall, daß die obere Wandung aus Metall besteht, kann eine fsolierbuchse aus Kunststoff od. dgl. eingesetzt werden. Die gleichrichtende Grenzstelle ist die Kentaktstelle zwischen dem Halbleiter 127 und dem Metalldraht 128: infolge der verhältnismäßig geringen Fläche dieser Grenzstelle ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung gering. Es müssen daher mehrere solcher Dioden in Reihen- oder Parallelschaltung vereinigt werden, um Änderungen der elektrischen Werte von solcher Größe zu erzielen, daß sie beobachtet werden können, oder es muß ein Röhrenverstärker zur Anwendung gelangen.
Eine verbesserte Ausführungsform der Diode ist in Fig. 3 dargestellt. Das Gehäuse 22 hat einen Gaseinlaß 30 und einen Gasauslaß 31. Zwei voneinander durch entsprechende Gehäuseteile isolierte Klemmen 23 und 24 sind mit den beiden Seiten der Diode 26 verbunden. Die Klemme 23 hat die Form einer Schraube, deren unteres Ende eine Scheibe 27 trägt, die vorzugsweise aus Germanium oder Silizium besteht, jedoch auch aus jedem anderen Material, beispielsweise Selen oder Kupferoxyd, bestehen kann, das in Kontakt mit einem von ihm verschiedenen Leiter eine Gleichrichtung ergibt.
Der Halbleiter 27 in Form der Scheibe oder einer Schicht auf Graphitbasis ist mit der Klemme 23 durch Löten oder in ähnlicher Weise verbunden. Für die Metallteile der in Fig. 2 und 3 dargestellten Halbleiterelemente wird infolge seiner Unempfindlichkeit gegenüber ätzenden Gasen und Dämpfen rostfreier Stahl mit Vorrang verwendet. Wenn keine derartigen Gase oder Dämpfe untersucht werden sollen, können natürlich auch andere Metalle zur Anwendung gelangen.
Der Halbleiter 27 steht in Berührung mit einem rohrförmigen oder ringförmigen Kontaktstück 28, dessen Ende gezahnt ist, wie bei 28σ dargestellt. Die Zähne bewirken eine Konzentration an den Kontaktstellen und ermöglichen gleichzeitig den zu untersuchenden Gasen einen guten Zugang zu den Grenzstellen. Die Zähne sind vorzugsweise klein; um sie deutlicher zu zeigen, wurde ihre Größe in Fig. 3 erheblich übertrieben dargestellt. In der Praxis werden die Zähne vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man die ringförmige Kante des Kontaktstückes 28 mit einer kleinen Feile bearbeitet, zumal die Größe der Zähne nicht kritisch ist und innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen schwanken kann, ohne daß die Wirkung der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Der Kontakt 28 wird durch eine in dem Gehäuse 22 angeordnete Schraubenfeder 29 gegen den Halbleiter 27 gedrückt. Das eine Ende der Feder 29 ist mit der Klemme 24 elektrisch verbunden, während ihr anderes Ende durch Löten od. dgl. mit dem Kontaktstück 28 verbunden ist. Die Feder 29 dient daher zwei Zwecken gleichzeitig, indem sie einmal das Kontaktstück 28 gegen den Halbleiter 27 drückt und zum anderen eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstück 28 und der Klemme 24 herstellt.
Der Kontaktdruck hat ebenso wie die Temperatur einen großen Einfluß auf den absoluten Wert des Widerstandes, jedoch nicht oder nicht nennenswert auf die Empfindlichkeit gegenüber Gasen oder Dämpfen. Die in Fig. 3 dargestellte Diode ist daher mit Mitteln zur Einstellung und Konstanthaltung dieses Kontaktdruckes versehen. Die Einstellung eines konstanten Kontaktdruckes kann durch Verstellung der Schraube 23 gegenüber dem Gehäuse 22 mittels eines Schraubenziehers od. dgl. erfolgen; die Schraube kann in der gewünschten Stellung durch eine Gegenmutter 23 a festgestellt werden.
Bei der Brückenschaltung der Fig. 1 bilden das Halbleiterelement 10 und das Amperemeter 14 den ersten Arm der Brücke, der einstellbare Widerstand 20 bildet den zweiten Arm derselben, ein fester Widerstand 32 und der verstellbare Teil 34 a des Potentiometerwiderstandes 34 bilden den dritten Arm, und der restliche Teil 34 & des Potentiometers zusammen mit dem einstellbaren Widerstand 36 bilden den vierten Arm. Die Brücke 12 wird mit Gleichstrom aus der Sammlerbatterie 38 oder einer anderen Stromquelle gespeist. In Reihe mit der Batterie 38 liegen ein Ausschalter 40 und ein Regelwiderstand 41; das Speisepotential wird an die in Reihe geschalteten Widerstände 32, 34 und 36 angelegt. Ein zweipoliger Stromwender 43 ist derart zwischen den Gasprüfer 10 und den Widerstand 32 gelegt, daß die Stromrichtung geändert und daß zwecks Stabilisierung ein Strom in Leitrichtung durch die Grenzstelle hindurchgeschickt werden kann, bevor die elektrischen Werte unter Anlegung eines Potentials in Sperrichtung gemessen werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die mittleren Klemmen 46 und 47 des Stromwenders 43 durch die Leiter 48 und 49 und die Leiter 24 und 23 mit der Diode verbunden; die diagonalen Klemmen 50 und 51 sind untereinander und die anderen diagonalen Klemmen 53 und 54 über den Widerstand 52 miteinander verbunden.
Wenn das Halbleiterelement des Gasprüfers 10 stabilisiert werden soll, wird der Schalter 40 geschlossen und der LTmschalter 43 in eine solche Stellung gebracht, daß die Klemme 46 mit der Klemme 52 und die Klemme 47 mit der Klemme 50 verbunden ist. Der Strom der Batterie 38 fließt daher vom positiven Pol über die Schalter 40 und 43 und tritt durch die von der Atmosphäre umspülte Grenzstelle des Halbleiterelements in Leitrichtung, also in Richtung des geringeren Widerstandes, hindurch oder, mit anderen Worten, in derjenigen Richtung, in welcher sowohl die Mehrheitsträger als auch die Minderheitsträger über die Grenzstelle wandern können. Bei dieser Stellung des Schalters 43 liegt der Widerstand 52 in Reihe mit der Grenzstelle und dem Amperemeter, so daß der Widerstand 52 die Stromstärke begrenzt und dadurch sowohl die Halbleitervorrichtung als auch das Amperemeter vor Überlastung schützt.
Wenn die elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung unbekannt sind, d. h. wenn das Instrument zum erstenmal zusammengesetzt ist und noch keine Versuche mit ihm gemacht wurden, werden die Schalter 40 und 43 in die beschriebene Stellung gebracht und der Widerstand 41 so geregelt, daß der durch die Grenzstelle fließende Strom in kleinen Schritten nach und nach ansteigt; nach jedem Schritt wird das Amperemeter beobachtet. Diese allmähliche, schrittweise Erhöhung des Stromes wird fortgesetzt, bis das Amperemeter einen plötzlichen schnellen Stromanstieg erkennen läßt. Dieser Anstieg tritt ein, wenn die Grenzstelle sich rasch zu erwärmen beginnt. Sobald man diesen plötzlichen, deutlichen Stromanstieg bemerkt, beläßt man den Widerstand 41 eine kurze Zeit lang in der erreichten Stellung, im allgemeinen jedoch nicht langer als 30 Sekunden. Danach wird der Strom schrittweise verringert, wobei man die Halbleitervorrichtung abkühlen läßt. Diese Abkühlung dauert normalerweise etwa 1 bis 2 Minuten. Xach vollzogener Abkühlung wird der Stabilisierungsprozeß wiederholt. Es wurde gefunden, daß drei Wiederholungen in allen
Fällen ein Maximum an Stabilisierung ergeben. Die Vorrichtung ist jetzt gebrauchsfertig, um die in den Gasprüfer 10 geleitete Atmosphäre zu prüfen. Der Stromwender 43· kann nunmehr umgelegt werden, um in Sperrichtung, d. h, in Richtung des höheren Widerstandes, Messungen der Wirkung elektrisch wirksamer Teilchen durchzuführen, die an die Grenzstelle gelangen.
Für eine gegebene Halbleitervorrichtung bekannter Ausführung mit bekannten Abmessungen und mit einer Grenzstelle bekannten Widerstandes hat der Stabilisierungsstrom eine ganz bestimmte Größe. Sobald die Stärke dieses Stromes bekannt ist, ist es nicht erforderlich, den Strom schrittweise zu erhöhen, sondern dieser bekannte, durch das Amperemeter 14 angezeigte Strom kann sofort für eine bestimmte Zeitspanne in der Größenordnung von 30 Sekunden oder weniger angelegt werden.
Um die Wirkung des zu prüfenden Gases auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements zu messen, können verschiedene Verfahren und Schaltungen zur Anwendung gelangen. Bei Benutzung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung werden entweder der Spannungsabfall der Grenzstelle, der hindurchgeleitete Strom oder der Widerstand gemessen, während die anderen beiden Größen konstant gehalten werden. Gewünschtenfalls kann man, statt zwei dieser drei Größen konstant zu halten, auch alle drei Größen messen und die Gaskonzentration dann aus Tabellen oder Kurven ablesen.
Die Untersuchung des zu prüfenden Gases kann in der Weise erfolgen, daß man zunächst durch das Ventil 55 (Fig. 1) ein Normal- oder Vergleichsgas in das Gehäuse der Halbleitervorrichtung einführt und dann die Brückenschaltung 12 durch Verstellung des Widerstandes 20, des Widerstandes 36 und des Potentiometers 34 derart reguliert, daß der durch das Galvanometer 18 fließende Strom gleich Null oder ein Minimum wird. Darauf wird das Ventil 55 geschlossen und das Ventil 57 geöffnet, durch welches das zu untersuchende Gas in das Gehäuse eingeleitet wird. Dies hat die beschriebenen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements zur Folge, so daß das Gleichgewicht der Brückenschaltung gestört wird und sich die Anzeige des Amperemeters 14 und des Voltmeters 16 ändert. Diese Änderung der Anzeigen des Amperemeters und des Voltmeters weist auf die Anwesenheit elektrisch wirksamer Teilchen in dem zu untersuchenden Gas hin; zwecks Bestimmung der Teilchen werden die Änderungen gemessen. Eine weitere Messung kann gemacht werden, indem man den Widerstand des Widerstandskastens 20 so ändert, daß die Brücke wieder ins Gleichgewicht kommt, was durch die Nullstromanzeige des Galvanometers 18 erkennbar ist. Die Änderung des Widerstandes 20, die erforderlich ist, um die Brückenschaltung wieder ins Gleichgewicht zu bringen, stellt ein Maß für die Widerstandsänderung der dem Gas ausgesetzten Grenzstelle dar und ist daher ein Anzeichen der Menge und bis zu einem gewissen Grade der Art der elektrisch wirksamen Teilchen der untersuchten Atmosphäre. Die Erkennung der Art dieser Teilchen ohne zusätzliche S elektions vor richtungen ist möglich, wenn diese aus Sauerstoff oder anderen stark oxydierenden Substanzen bestehen, die eine Vergrößerung des Widerstandes der Grenzstelle hervorruf en, während andere elektrisch wirksame Teilchen eine Verringerung derselben bewirken. Da gewisse andere Faktoren, wie z. B. die Temperatur, die elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung in verschiedener Weise beeinflussen, ist es erwünscht, daß das Prüfgerät auch Mittel zur Messung des Stromes, der Spannung und des Widerstandes enthält; alle diese drei Arten von Meßinstrumenten sind daher in der Schaltung der Fig. 1 vorgesehen. Außer der Stabilisierung der Empfindlichkeit eines Halbleiterelements mittels des beschriebenen Verfahrens, wobei durch die Grenzstelle in Leitrichtung ein Strom von solcher Stärke hindurchgeschickt wird, daß die Grenzstelle fast durchbrennt, wurde gefunden, daß
ίο die Empfindlichkeit des Halbleiterelements für verschiedene Gase gesteigert werden kann, wenn man die Speisespannung während des Meßvorganges auf vorbestimmte Werte einstellt. Die Empfindlichkeit für verschiedene Gase und Dämpfe kann bis zu einem gewissen Grade dadurch geändert werden, daß man die Spannung regelt, die an die der Atmosphäre ausgesetzte Grenzstelle angelegt wird. Die Empfindlichkeit, von der hier die Rede ist, ist die Änderung der Gasempfindlichkeit, d. h. die prozentuale Änderung des Widerstandes für eine gegebene Änderung der untersuchten Atmosphäre. Beispielsweise kann die Änderung des Widerstandes einer Germaniumdiode, an welche in Sperrichtung eine Vorspannung von 1,5 Volt angelegt ist, bei Übergang von Raumluft auf trockenen Stickstoff oder umgekehrt die Größenordnung von 0,7 bis 0,8% haben. Diese Widerstandsänderung steigt allmählich bis auf 1,5%, wenn die angelegte Spannung auf 12,0 Volt gesteigert wird. Es ist zu beachten, daß der Widerstand selbst sich viel stärker mit der Spannung ändert, beispielsweise bei der genannten Diode von 550 Ohm bei 1,5 Volt bis auf 620 Ohm bei 6 Volt und etwa 80 Ohm bei 12 Volt.
In Fig. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform einer Schaltung dargestellt, die sowohl zur Stabilisierung des Halbleiterelements als auch zur Durchführung von Messungen zwecks Bestimmung einer Atmosphäre dient. Die Schaltung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Brückenschaltung 12 während des Meß-Vorganges durch eine Wechselstromquelle gespeist wird, welche mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Wechselstromquelle 60 in Reihe mit einem Schalter 40 und einem regelbaren Widerstand 41 in der gleichen Weise an die Brücke gelegt wie die Batterie 38 der Fig. 1. Da es jedoch, wie oben ausgeführt, wünschenswert ist, daß die Stabilisierung durch Anlegung eines Gleichstromes in Leitrichtung an die Grenzstelle zwischen elektrisch verschiedenen Stoffen einer Halbleitervorrichtung bewirkt wird, ist es erforderlich, eine zusätzliche Stromquelle für die Stabilisierung vorzusehen. Es ist daher eine Batterie 62 in Reihe mit einem regelbaren Widerstand 63 und einem Amperemeter 65 an die Klemmen 53 und 50 eines zweipoligen Umschalters gelegt. Mittels dieses Schalters kann Gleichstrom in Leitrichtung zum Zwecke der Stabilisierung durch die Diode hindurchgeschickt werden, wenn es erwünscht ist. Die Art der Polung der Batterie hängt natürlich von dem Vorzeichen der Mehrheitsträger der Grenzstelle ab. Als Gleichstromquelle 62 ist in der Zeichnung eine Batterie dargestellt; es versteht sich, daß dafür auch jede andere geeignete Stromquelle verwendet werden kann, beispielsweise ein von der Wechselstromquelle 60 gespeister Voll- oder Halbweggleichrichter.
Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird die Stabilisierung der Halbleitervorrichtung dadurch bewirkt, daß man den Schalter 43 in eine solche Stellung bringt, daß die Gleichstromquelle 62 an die Grenzstelle der Halbleitervorrichtung angelegt wird; der regelbare Widerstand 63· in Verein mit dem Amperemeter 65 ergänzen
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die Mittel zur Durchführung der beschriebenen Stabilisierung. Nach erfolgter Stabilisierung der Halbleitervorrichtung wird der Schalter 43 umgelegt und der Schalter 40 geschlossen, so daß die Brücke 12 mit Wechselstrom gespeist wird, wobei auch Wechselstrom durch die Grenzstelle der Halbleitervorrichtung fließt. Es können nunmehr die oben beschriebenen Messungen vorgenommen werden.
Benutzt man Wechselstrom entweder in Form eines sinusförmigen Stromes oder in Form von periodischen Impulsen, so lassen sich eine Reihe weiterer elektrischer Größen messen und zur Bestimmung verschiedener Gase oder Dämpfe verwenden. Beispielsweise kann die Kapazität und die Induktanz gemessen werden, indem man zunächst die Brückenschaltung ins Gleichgewicht bringt, während die Grenzstelle der Vergleichsatmosphäre ausgesetzt ist, und dann ein zweites Mal bei der zu untersuchenden Atmosphäre. Aus den Ergebnissen dieser Messungen kann die Gesamtimpedanz berechnet werden. Ferner kann durch Beobachtung der erhaltenen Wellenform auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszilloskops die durch die untersuchte Atmosphäre verursachte Änderung der Frequenz und der Eigenschaften der Impulse zur Bestimmung verschiedener Gase und Dämpfe benutzt werden. Ferner können durch Anordnung eines regelbaren Hochpaßfilters, welches die gewünschten Harmonischen durchläßt, vor dem Oszilloskop die harmonischen Frequenzen isoliert werden; ihre Änderungen und/oder das Auftreten neuer Harmonischer infolge Einführung des Versuchsgases können zur Bestimmung von elektrisch wirksamen Teilchen benutzt werden.
In Verbindung mit der Benutzung von Wechselstrom sei daran erinnert, daß alle als Gasprüfer vorgeschlagenen Halbleitervorrichtungen eine gleichrichtende Wirkung haben, d. h. daß ein sehr kleiner Strom in Sperrichtung durchgelassen wird, während sich in Leitrichtung ein erheblich stärkerer Strom ergibt. Jedoch ist, wie erwähnt, die Wirkung elektrisch wirksamer Teilchen von Gasen und Dämpfen bei Messung in Sperrichtung am größten; ein starker Strom in Leitrichtung bewirkt eine Stabilisierung. Im Zusammenhang hiermit wurde gefunden, daß bei Anwendung von Wechselstrom bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn man solche Meßgrößen wie die Kapazität, die Frequenzänderung, die Phasenänderung usw. mißt, statt wie bei Gleichstrom den Strom, die Spannung und den Widerstand zu messen. Zu diesem Zweck kann die Schaltung nach Fig. 5 verwendet werden, bei welcher entweder ein sinusförmiger Wechselstrom oder ein aus einzelnen Impulsen bestehender Wechselstrom von rechteckiger Wellenform benutzt wird, um die genannten Messungen durchzuführen. Die Schaltung enthält eine Brücke 70, deren erster Arm 72 die Halbleitervorrichtung 10 enthält; der zweite Arm 73 enthält ein Amperemeter; der dritte ist mit dem Bezugszeichen 76 und der vierte mit dem Bezugszeichen 78 bezeichnet. Die Brückenschaltung 70 wird mittels eines Schalters 80 entweder von einer Quelle 81 sinusförmigen Wechselstromes oder von einer Impulsquelle 82 für rechteckigen Wechselstrom gespeist. Der Ausdruck »Wechselspannung«, wie er im folgenden genannt wird, soll daher beide Arten von Strom umfassen. Ein Kathodenstrahloszilloskop 84 ist an die Klemmen der Halbleitervorrichtung 10 gelegt, so daß man bei der Messung eine Anzeige entweder des Gehalts an Harmonischen oder der Phasenverschiebung erhält; diese Änderungen treten auf, wenn man nach dem Vergleichsgas das zu untersuchende Gas in das Gehäuse der Halbleitervorrichtung einführt.
Die Schaltung nach Fig. 5 soll nun im einzelnen betrachtet werden. Eine Gleichstromquelle 86 ist in Reihe mit einem Regelwiderstand 87 an die Klemmen der Halbleitervorrichtung 26 gelegt; in Reihe mit dem Kathodenstrahloszilloskop 84 ist ein regelbares Bandfilter 88 derart an die Grenzstelle gelegt, daß das Bandfilter 88 bei geöffnetem Schalter 89 nur ein ausgewähltes Frequenzband zu dem Oszilloskop gelangen läßt, welches dann auf seinem Schirm erscheint. Der Arm
ίο 72 der Brückenschaltung 70 enthält außer dem Halbleiterelement 26 die Kondensatoren 91 und 92, welche den Gleichstrom der Batterie 86 von den Wechselstrominstrumenten fernhalten.
Zur Bestimmung des Gleichgewichts der Brücken-
IS schaltung dient ein Kopfhörer 94., der in Reihe mit einem Widerstand 95 an die Verbindungsstellen der Brückenarme 76 und 78 bzw. 72 und 73 gelegt ist. Darüber hinaus kann gewünschtenfalls auch eine visuelle Ablesung des Nullstromes mittels eines Galvanometers 97 erfolgen, wobei ein Verstärker 98 zwischengeschaltet ist, der parallel zum Kopfhörer liegt. Ein Potentiometer 100., welches zwischen den Armen 76 und 78 liegt, wird nach Zuführung des Vergleichgases zur Halbleitervorrichtung verstellt, bis die Brückenschaltung sich im Gleichgewicht befindet, was durch den schwächsten Ton des Kopfhörers erkennbar ist. Alsdann wird das Versuchsgas in das Gehäuse des Gasprüfers 10 eingeführt; die erhaltenen Änderungen der Ablesungen des Wechselstromamperemeters und eines Voltmeters 102 dienen dazu, die Anwesenheit elektrisch wirksamer Teilchen in der untersuchten Atmosphäre festzustellen. Darüber hinaus kann die Brückenschaltung 70 nach Zuführung des Versuchsgases zur Grenzstelle wieder ins Gleichgewicht gebracht werden, und zwar durch Verstellung des Widerstandes 73 c, der Induktanz 73 α und der Kapazität 73 b, die mit dem Amperemeter 74 im Arm 73 liegen, der Induktanz 76 a und des Widerstandes 76 δ des Armes 76 und der Kapazität 78 α des Armes 78. Diese Vorrichtungen sind so ausgebildet, daß sie leicht verstellt und abgelesen werden können. Die für die Wiederherstellung des Gleichgewichts erforderliche Verstellung dieser Einrichtungen ist ein Maß der gesamten Impedanz-, Kapazitäts- und Induktanzänderung der Grenzstelle infolge der Änderung der Atmosphäre und daher geeignet zur Bestimmung der Art und Menge der elektrisch wirksamen Teilchen des untersuchten Gases.
Zwecks Vereinfachung des Instrumentariums und um eine tragbare Vorrichtung zu erhalten, kann es bei der Ausführungsform nach Fig. 5 in vielen Fällen vorteilhafter sein, wie bei den Schaltungen nach Fig. 1 und 4 den Strom, den Spannungsabfall und den Widerstand zu messen. Bei Speisung durch sinusförmigen Wechselstrom ist es erforderlich, eine Einrichtung zu verwenden, die es ermöglicht, dem Galvanometer 97 nur denjenigen Teil des Stromes zuzuführen, der die Dicke in Sperrichtung durchfließt, den in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom aber zu absorbieren oder durch Kurzschließung von dem Galvanometer fernzuhalten. Dies kann durch den mit Röhren oder Transistoren versehenen Verstärker 98 erreicht werden, der dem Galvanometer 97 vorgeschaltet ist. Die Vorspannung und die Polarität des Einganges des Verstärkers 98 sind dabei derart, daß der Strom desjenigen Teiles der Phase, der durch die Halbleitervorrichtung in Leitrichtung hindurchgeht, unterdrückt wird, während diejenigen Teile der Phase, die in Sperrichtung durch die Diode hindurchtreten, weitergeleitet und verstärkt werden.
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Darüber hinaus kann die Diode 90 verwendet wer' Wiederholungszeit ändert. Die Änderung des Wider den, um zu verhindern, daß der unerwünschte Teil der Standes beeinflußt natürlich die Impulshöhe oder Phase das Amperemeter 74 erreicht, und um auch das Amplitude. All diese Änderungen können auf dem Galvanometer 97 vor diesem Teil des Stromes zu Schirm des in Fig. 6 dargestellten Kathodenstrahlschützen. Auch im Stromkreis des Voltmeters 102 5 oszilloskops beobachtet werden; die Art der Änderunkann eine Diode 93 vorgesehen sein, welche so geschal- gen kann benutzt werden, um die Zusammensetzung tet ist, daß das Voltmeter nur den Sperrstrom der der Atmosphäre zu bestimmen.
Grenzstelle erhält. Der Widerstand des Voltmeter- Wie erwähnt, ändert sich der absolute Wert des
kreises ist so hoch, daß jeder nennenswerte Verlust Widerstandes der Grenzstelle bei Änderung der Temvon Strom vermieden wird, der die Grenzstelle in io peratur, der angelegten Spannung usw. Um die Wir-Sperrichtung durchfließt. Ferner kann in dem Arm 78 kung dieser Änderungen nach Möglichkeit auszuschaleine Diode 99 vorgesehen sein, die einen unnötigen ten, kann eine der Kompensation dienende zweite Verlust elektrischer Energie des in Leitrichtung flie- Halbleitervorrichtung verwendet werden, die ähnlich ßenden Stromes verhindert, der nicht zu Messungen ausgebildet ist wie die der Messung dienende Halbverwendet wird. 15 leitervorrichtung und deren Widerstands-Spannungs-Das Kathodenstrahloszilloskop 84 kann benutzt Charakteristik und Widerstands-Temperatur-Charakwerden, um die Anwesenheit elektrisch wirksamer teristik derjenigen der Meß vorrichtung möglichst nahe Teilchen in der untersuchten Atmosphäre durch Ände- kommt. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 7 dargerung der Phasenverschiebung des an den Enden der stellt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß so-Grenzstelle auftretenden Signals zu bestimmen. Dar- 20 wohl der absolute Wert des Widerstandes der Diode über hinaus kann das Kathodenstrahloszilloskop be- in Sperrichtung als auch der absolute Wert des Widernutzt werden, um die Änderung der Atmosphäre durch Standes in Leitrichtung sich erheblich mit der Tempedie Änderung der Wellenform zu bestimmen. Das ratur ändern, was die Anwendung einer der Kompen-Bandfilter 88 kann so eingestellt werden, daß es die sation dienenden Halbleitervorrichtung mit ähnlicher verschiedenen Harmonischen des Signals aussiebt und 25 Charakteristik in hohem Maße erwünscht erscheinen isoliert, so daß diese Harmonischen auf dem Bild- läßt. Die Wirkung der Temperatur auf die Empfindschirm des Oszilloskops beobachtet werden können, lichkeit gegenüber Gasen und Dämpfen (die prozenum aus ihnen die Wirkung der Änderung der Atmo- tuale Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit Sphäre auf den Gehalt an Harmonischen zu bestim- von der prozentualen Änderung der Konzentration der men. Alle diese Beobachtungen auf dem Schirm des 30 Atmosphäre) ist jedoch gering und hat keine gleich-Oszilloskops unterstützen die Bestimmung· der Zu- mäßige Tendenz. Eine Kompensation durch eine zweite sammensetzung der Atmosphäre. Halbleitervorrichtung ist daher für die Praxis ausWenn Wechselstrom in Form periodisch wieder- reichend, so daß komplizierte Mittel zur Konstanthalkehrender Impulse zur Speisung der Vorrichtung ver- tung der Temperatur usw. in Fortfall kommen können, wendet wird, wird natürlich der Schalter 80 so einge- 35 Zur Durchführung dieser einfachen Kompensation stellt, daß die Stromquelle 82 eingeschaltet ist; wird eine zweite Halbleitervorrichtung verwendet, die der Schalter 89 ist geöffnet, so daß das Oszilloskop 84 sich in einer Vergleichsatmosphäre befindet, die von über das Bandfilter 88 mit ausgewählten Frequenzen einem luftdichten Gehäuse umschlossen ist. Bei der des zusammengesetzten Signals gespeist wird, welches Prüfung von Gasen — insbesondere wenn deren Teman den Enden der der Atmosphäre ausgesetzten Grenz- 40 peratur sich rasch und stark ändert — ist es jedoch stelle auftritt. Γη Fig. 6 sind verschiedene Wellenfor- oft vorteilhafter, die der Kompensation dienende men dargestellt. Die Wellenform 111 zeigt das von der Halbleitervorrichtung in gleicher Weise einem Gas-Stromquelle 82 abgegebene Signal. Die punktierte strom auszusetzen, wie dies bei der zur Anzeige verLinie 110 zeigt ein Signal, welches beispielsweise auf wendeten Halbleitervorrichtung geschieht. Um dies zu dem Bildschirm des Kathodenstrahloszilloskops er- 45 ermöglichen, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß scheint, wenn die Brückenschaltung 70 durch die der Kompensator (die der Kompensation dienende Stromquelle 82 gespeist wird und die Grenzstelle einer Halbleitervorrichtung) eine möglichst geringe Emp-Vergleichsatmosphäre ausgesetzt wird. Wird die Ver- findlichkeit für elektrisch wirksame Bestandteile des suchsatmosphäre in das Gehäuse des Gasprüfers ein- untersuchten Gases hat. Dies wird gemäß Fig. 7 dageführt, beispielsweise Raumluft mit einer relativen 50 durch erreicht, daß der Kompensator so geschaltet ist, Feuchtigkeit von 60%, so beobachtet man auf dem daß ihn der Strom in entgegengesetzter Richtung wie Schirm des Oszilloskops eine Wellenform, wie sie die der Anzeige dienende Halbleitervorrichtung durchdurch die ausgezogene Linie 112 dargestellt ist. In fließt, während gleichzeitig Mittel vorgesehen sind, die diesen Kurven ist die Ordinate die Spannung und die dafür sorgen, daß nur derjenige Teil des Wechsel-Abszisse die Zeit; für beide Wellenformen ist die 55 stromes, der die der Anzeige dienende Halbleitervor-Grundlinie die Spannung Null. Wie aus der Zeichnung richtung in Sperrichtung durchfließt, die Meßinstruersichtlich, ändern sich sowohl die Abstände zwischen mente erreicht. Wie bereits erwähnt, haben Halbleiterden einzelnen Impulsen, die Impulsbreite und die Im- vorrichtungen im allgemeinen eine sehr geringe Emppulshöhe gleichzeitig. Dies ist jedoch nicht immer der findlichkeit gegenüber elektrisch wirksamen Teilchen, Fall; jede dieser Größen kann für die Messung ver- 60 wenn sie in Leitrichtung gepolt sind, dabei aber ein wendet werden. sehr ähnliches Verhalten gegenüber Änderungen der Die beobachteten Änderungen können natürlich der Temperatur, der angelegten Spannung usw.; diese Tatsache zugeschrieben werden, daß sich bei einer letztere Eigenschaft ist also unabhängig von der Änderung der Atmosphäre die Kapazität und der Stromrichtung. Eine solche Anordnung ermöglicht Widerstand der Grenzstelle ändern. Bei der in Fig. 3 65 daher eine sehr wirksame, schnelle Kompensation von dargestellten Diode ist die Kapazitätsänderung im Änderungen der angelegten Spannung, der Tempeallgemeinen viel größer als die Änderung der Induk- ratur des Gases und ähnlicher Einflüsse, tanz; diese Änderung ist begleitet von einer Änderung Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung unterscheidet der i?C-Konstante, welche die Wellenform verzerrt, sich von den bisher besprochenen Schaltungen außer indem sie sowohl die Impulsbreite als auch die 70 durch die Anordnung eines Kompensators auch da-
durch, daß der in Leitrichtung fließende Anteil (d. h. die entsprechende Halbwelle) des Wechselstromes zur Stabilisierung des Gasprüfers 10 verwendet wird. Zu diesem Zweck ist der Gasprüfer 10 derart in einer Brückenschaltung angeordnet, daß sowohl die in Leitrichtung als auch die in Sperrrichtung fließende. Halbwelle durch die Grenzstelle hindurchtritt, daß aber nur die in Sperrichtung durch die Diode hindurchtretende Halbwelle die Meßinstrumente erreicht. Der Gasprüfer 10 ist im ersten Arm 142 der Brücke angeordnet, der Kompensator 140 liegt — in entgegengesetzter Richtung gepolt — im zweiten Arm 143, ein Regelwiderstand 144a und ein Kondensator 144 & liegen parallel zueinander im dritten Arm 144 und ein Widerstand 145 α in Parallelschaltung mit einem variablen Kondensator 145 b im vierten Arm 145 der Brücke. Der Arm 142 enthält außer der Diode 26 ein Amperemeter 146; ein Voltmeter 147 in Reihe mit einem Gleichrichter 154 ist parallel zur Diode geschaltet. Der Gleichrichter ist derart gepolt, daß lediglich der Strom, welcher die Diode in Sperrichtung durchfließt, durchgelassen wird. Der in Leitrichtung durch die Diode des Gasprüfers fließende Strom wird von dem Amperemeter 146 durch einen Halbweggleichrichter 150 ferngehalten, der parallel zum Amperemeter geschaltet und entgegengesetzt gepolt ist wie der Gleichrichter 154. Der unerwünschte Strom, d. h. der Strom, welcher durch die Diode des Kompensators 140 in Sperrichtung und durch die Diode des Gasprüfers 10 in Leitrichtung fließt, wird von dem Kompensator 140 durch einen Halbweggleichrichter 153 ferngehalten, der im Arm 143 angeordnet ist. Parallel zum Kompensator 140 und dem Gleichrichter 153 liegt ein Gleichrichter 156 mit einem regelbaren Widerstand 157. Der Widerstand 157 dient dazu, den Grad der Kompensation zu verändern, sowie gleichzeitig zur Feineinstellung des Brückengleichgewichts.
Die Brückenschaltung 141 wird durch den Wechselstrom eines Transformators 148 gespeist, dessen Sekundärwicklung mit der Verbindungsstelle der Arme 142 und 143 einerseits und mit dem Schleifer des zwischen den Armen 144 und 145 angeordneten Potentiometers 150 andererseits verbunden ist. Bei dieser Anordnung fließen beide Halbwellen des Wechselstromes durch die Grenzstelle des Gasprüfers hindurch. Der in Leitrichtung fließende Strom dient zur Stabilisierung der Grenzstelle in der oben beschriebenen Weise; seine Stärke kann durch den Widerstand 149 geregelt werden. Wie oben erwähnt, bildet die Diode 150 für die in Leitrichtung fließende Halbwelle einen Kurzschluß des Amperemeters 146 und hält diesen Teil des Stromes von dem Amperemeter 146 und dem Galvanometer 151 fern, so daß diese Instrumente nur die in Sperrichtung durch den Gasprüfer fließenden Ströme anzeigen. Eine zweite Diode 152 kann in Reihe mit dem Galvanometer 151 geschaltet sein, um einen etwa verbleibenden Rest der in Leitrichtung fließenden Ströme vom Galvanometer fernzuhalten und zu verhindern, daß Stromschwankungen, wie sie beim Einstellen des Brückengleichgewichts auftreten können, das Galvanometer beeinflussen. Es wird darauf hingewiesen, daß bei dieser Anordnung beide Halbwellen des Wechselstromes durch die Diode des Gasprüfers hindurchgehen, daß durch den Kompensator aber nur diejenige Halbwelle fließt, deren Stromrichtung die Leitrichtung des Kompensators ist. Der Kompensator wird daher durch Änderungen der Atmosphäre praktisch nicht beeinflußt. Die in Leitrichtung durch den Gasprüfer fließende Halbwelle bewirkt eine kontinuierliche Erneuerung der Stabilisierung; die entgegengesetzte Halbwelle (die den Gasprüfer in Sperrichtung durchfließt) bewirkt die Änderung der gemessenen elektrischen Größen. Lediglich diese Halbwelle erreicht die Meßinstrumente. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann entweder eine oder eine Kombination von zwei oder mehr Anzeigen der Instrumente dazu benutzt werden, die Menge der elektrisch wirksamen Teilchen zu bestimmen. Ferner kann die
ίο Brückenschaltung in der Weise benutzt werden, daß sie jedesmal ins Gleichgewicht gebracht wird, d. h., die Brücke wird ins Gleichgewicht gebracht, wahrend das Vergleichsgas durch den Gasprüfer und durch den Kompensator strömt. Alsdann wird das Vergleichsgas
is durch das zu prüfende Gas ersetzt und die Brücke erneut ins Gleichgewicht gebracht. Statt dessen kann die Brücke auch zunächst ins Gleichgewicht gebracht werden, während das Vergleichsgas durch den Gasprüfer und durch den Kompensator strömt, worauf das Versuchsgas zugeführt und lediglich der Grad der eingetretenen Abweichung gemessen wird.
Fig. 8 zeigt ebenfalls einen Kompensator, der mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet ist; er ist in dem einen Arm 161 einer Brückenschaltung 160 angeordnet.
Die Brücke 160 kann entweder (durch die Wechselstromquelle 162) mit sinusförmigem Wechselstrom oder (durch die Impulsquelle 163) mit Wechselstrom von rechteckiger Wellenform gespeist werden. Die eine oder die andere der beiden Wechselstromquellen kann durch einen Schalter 164 mit der Primärwicklung eines Transformators 165 verbunden werden. Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist mit einem normalen Doppelweggleichrichter 166 verbunden, dessen Ausgang die Brückenschaltung 160 mit Gleichstrom speist. Die eine Ausgangsklemme des Gleichrichters 166 ist durch den Leiter 167 mit der Verbindungsstelle der Arme 161 und 168 der Brücke verbunden, während die andere Ausgangsklemme über den Widerstand 170 an den Schleifer des Potentiometers 173 geführt ist, das zwischen den Brückenarmen 171 und 172 angeordnet ist. Der durch die Sekundärwicklung des Transformators 165 abgegebene Wechselstrom wird über einen Widerstand 174 an die Klemmen 175 und 176 der Brückenschaltung gelegt.
Die Verbindung der Gleichspannung und der Wechselspannung mit zwei verschiedenen Paaren von Klemmen der Brücke ermöglicht es, die gleiche Brückenschaltung in der weiter unten beschriebenen Weise sowohl für Gleichstrommessungen als auch für Wechsel-Strommessungen zu verwenden; sie gestattet ferner die Verwendung verschiedener Kombinationen von Gleichstrom und Wechselstrom zur Bestimmung der elektrischen Werte.
Sollen Gleichstrommessungen durchgeführt werden, so wird der Widerstand 174 auf seinen Höchstwert eingestellt, so daß die an die Brücke angelegte Wechselspannung sehr stark verringert und daher die an den Grenzstellen des Gasprüfers 10 und des Kompensators 140 liegende Wechselspannung noch weiter erniedrigt wird, da diese beiden Grenzstellen bezüglich der Wechselspannung in Reihe geschaltet sind. Die Wirkung der Wechselspannung auf das Gleichstromgalvanometer 177 wird durch die Induktanzen 178 und 179 noch weiter verringert, die eine hohe Induktivität und einen kleinen Ohmschen Widerstand gegenüber dem Galvanometer 177 haben.
Zur Durchführung der Messungen wird ebenso wie bisher der in Sperrichtung durch die Grenzstelle des Gasprüfers 10 hindurchtretende Strom benutzt. Ebenso wie bisher werden die Messungen so durchgeführt,
daß zunächst die Brückenschaltung 160, während den Vorrichtungen 10 und 140 Vergleichsgas zugeführt wird, abgeglichen wird und daß dann das zu prüfende Gas entweder dem Gasprüfer 10 allein oder den beiden Vorrichtungen 10 und 140 zugeführt wird, worauf durch Verstellung des Kondensators 172 a, des Widerstandes 171 a, der Induktanz 171 b usw. die Brückenschaltung erneut abgeglichen und die Änderung des Widerstandes, der Kapazität, der Gesamtimpedanz, der Induktanz usw. der Grenzstelle des Gasprüfers be- ίο stimmt wird. Wie oben erwähnt, werden diese Messungen ausgeführt, während der Strom in Sperrichtung durch die Grenzstelle des Gasprüfers fließt, wahrend gleichzeitig die Grenzstelle des Kompensators in Leitrichtung durchflossen wird. Infolge dieser Schaltung ist der Kompensator unempfindlich gegenüber Änderungen der Atmosphäre, erleidet jedoch durch Temperatur, Druck usw. die gleichen Änderungen wie der Gasprüfer 10, so daß diese Änderungen, weitgehend kompensiert werden,
Wenn Messungen mit sinusförmigem oder impulsartigem Wechselstrom durchgeführt werden sollen, wird die Gleichstromspeisung der Brückenschaltung 160 durch Vergrößerung des Widerstandes 170 auf ein Minimum verringert und die Wechselstromspeisung durch entsprechende Einstellung des Widerstandes 174 erhöht. Wenn das Galvanometer 177 sehr empfindlich ist, kann es erforderlich sein, die Brückenschaltung 160 nach Vergrößerung des Widerstandes 170 vor der Verringerung des Widerstandes 174 erneut abzugleichen. Wenn Wechselstrom an die Klemmen 175 und 176 der Brücke angelegt wird, wirken die Induktanzen 178 und 179 gegenüber dem Galvanometer 177 als Reihenimpedanzen, während die Induktanzen 171 & und 172 & der Brückenarme als Neben-Schluß induktanzen wirken, da sie eine geringe Induktivität besitzen. Infolgedessen schützen die vier genannten Induktanzen das Galvanometer 177 vor der Einwirkung von Wechselstrom. Gleichzeitig fließt ein wesentlicher Teil des angelegten Wechselstromes durch die Grenzstellen des Gasprüfers 10 und des Kompensators 140 hindurch. Die Stärke des Wechselstromes wird durch Einstellung des Widerstandes 174 geregelt. Die in Leitrichtung durch die Grenzstelle des Gasprüfers fließende Halbwelle dient in der beschriebenen Weise zur Stabilisierung derselben, während die Diode 180 das Galvanometer 177 vor dieser Halbwelle schützt. Die Beobachtung und Messung der verschiedenen Wechselstromgrößen erfolgt vorzugsweise mittels des Kathodenstrahloszilloskops 181, dessen Eingangsklemmen mit einem Filter 182 verbunden sind. Dieses Filter seinerseits ist mit einem elektronischen Schalter 183 verbunden, welcher die an den Klemmen des Gasprüfers 10 und des Kompensators 140 erscheinenden Signale derart auf das Filter 182 überträgt, daß sie auf dem Bildschirm des Oszilloskops 181 gleichzeitig erscheinen, um eine visuelle Vergleichung dieser Signale zu erleichtern. Wie oben erwähnt, siebt das Filter 182 die verschiedenen Harmonischen aus, so daß das Verschwinden einer oder mehrerer dieser Harmonischen oder das Erscheinen neuer Harmonischer infolge einer Änderung der Atmosphäre beobachtet werden kann. Wenn Impulse zur Anwendung gelangen, können Änderungen der Impulshöhe, der Impulsbreite, des Impulsabstandes und ähnliche Größen in der beschriebenen Weise mittels des Oszilloskops beobachtet werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 8 kann eine ganze Reihe von Kombinationen von Gleich- und Wechselstrom benutzt werden, um die Empfindlichkeit und die Selektivität und in manchen Fällen auch die Stabilität zu erhöhen. So kann z. B. die Eingangsfrequenz und die Höhe der angelegten Spannung geändert werden, um diese Ergebnisse zu erzielen, da die durch verschiedene Atmosphären bewirkten Änderungen der Grenzstelle sowohl durch die Frequenz als auch durch die angelegte Spannung beeinflußt werden. Es wurde gefunden, daß die beschriebene Sensitivierung bei Betrieb mit Gleichstrom und mit Wechselstrom von 60 Perioden oder weniger unendlich lange Zeit bestehenbleibt. Bei Betrieb mit höheren Frequenzen jedoch geht die Empfindlichkeit oft in verhältnismäßig kurzer Zeit verloren. Dies kann vielleicht einer Drehung oder Neuorientierung der polaren Moleküle an der Grenzstelle und/oder der Tatsache zugeschrieben werden, daß die Elektronen innerhalb des Atoms auf Zustände höherer Energie übergehen. Die beschriebene Wirkung erfordert eine gewisse Zeit; während die in Leitrichtung fließende Halbwelle eines Stromes von 60 Perioden ausreicht, ist sie bei höheren Frequenzen, beispielsweise bei 1000 Perioden, zu kurz, um die Neuorientierung zu ermöglichen, so daß eine etwas unregelmäßige Anordnung die Folge ist. AVenn ein Strom von 60 Perioden oder weniger zur Anwendung gelangt, wird daher die Sensitivierung während einer jeden Periode erneuert, während eine höhere Frequenz einen Verlust derselben bedingt. Bei Verwendung höherer Frequenzen wird daher vorzugsweise ein Zeitschalter, beispielsweise ein (in der Zeichnung nicht dargestellter) Bimetallschalter, verwendet, um zu erreichen, daß durch die Grenzstelle des Gasprüfers vom Gleichrichter 166 aus in vorherbestimmten Zeitabständen von 15 Minuten oder weniger für eine Zeit von etwa 30 Sekunden ein Strom in Leitrichtung fließt. Dieser Zeitschalter arbeitet natürlich automatisch; der dadurch bewirkte Strom macht den Gasprüfer 10 wieder empfindlich.
Eine andere Ausführungsform eines Gasprüfers nach der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Das dort dargestellte Halbleiterelement 226 hat die Form eines Flächentransistors. Der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Transistor ist ein PNP-Transistor mit einem mittleren Teil 202 eines N-Typ-Halbleiters, beispielsweise Germanium, sowie Emitter- und Kollektorteilen 203 und 204 aus P-Typ-Material, die an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen durch Diffusion zweier Klümpchen aus Gold, Indium od. dgl. hergestellt wurden, welche mit den Bezugszeichen 205 und 206 bezeichnet sind. Gewünschtenf alls können natürlich auch Transistoren vom NPN-Typ verwendet werden. Der in Fig. 9 dargestellte Transistor unterscheidet sich von den bekannten Transistoren dieser Art durch eine Mehrzahl kleiner Bohrungen oder Gaskanäle 207, die parallel zueinander von einer Seite des Transistors zur anderen reichen und eine oder mehrere Grenzflächen zwischen den P-Typ- und den N-Typ-Zonen durchdringen, beispielsweise zwischen den Zonen 202 und 204. Die beschriebenen. Kanäle, die beispielsweise mechanisch durch Bohren hergestellt werden können, dienen dazu, daß das durch den Einlaß 208 in das Gehäuse 209 eingeführte Gas od. dgl. in innige Berührung mit wenigstens einem Teil der Grenzflächen zwischen dem N-Typ-Material und dem P-Typ-Material gebracht wird. Das in das Gehäuse 209 eingeführte Gas wird durch den Auslaß 210 abgeführt.
Der Transistor 226 wird in dem Gehäuse 209 durch eine leitende Stange 212 gehalten, die durch die untere Wandung 209 α des Gehäuses hindurchtritt. Der Transistor 226 ist in der dargestellten Weise nach Art eines Verstärkers mit gemeinsamer oder geerdeter Basis ge-
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schältet, wobei ein Eingangssignal über den Transfor- lastungswiderstandes 317, nicht in dem gleichen Strommator 213 auf den Emitterkreis zwischen der Basis- kreis angeordnet ist, sondern im Stromkreis des Kolklemme 212 und der Vorspannungsbatterie' 216 gege- lektors 324. Wie ohne weiteres ersichtlich, kann die ben und das verstärkte Signal vom Kollektorkreis Schaltung nach Fig. 10 in mannigfacher Weise abgezwischen der Klemme 215 und einer zweiten Vor- 5 ändert werden, insbesondere hinsichtlich der relativen Spannungsbatterie 218 über den Transformator 217 Anordnung derjenigen Transistorteile, die dem Gas abgegeben wird. Es wird dann auf einen (in der Zeich- ausgesetzt sind, und auch derjenigen Teile, deren eleknung nicht dargestellten) Kreis zur Messung des Aus- trische Werte gemessen werden.
gangsstromes, der Ausgangsspannung, der Ausgangs- Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, 9 und 10 werleistung usw. gegeben. Die Feststellung der Anwesen- io den verhältnismäßig große Grenzflächen dem zu unterheit und die quantitative Bestimmung elektrisch suchenden Gas ausgesetzt; es ergeben sich daher verwirksamer Bestandteile der Atmosphäre kann dadurch hältnismäßig große Änderungen der gemessenen erfolgen, daß man in der üblichen Weise die Verstär- Werte, wenn die zu untersuchende Atmosphäre sich kung des Transistors vor und nach der Zuführung ändert. Diese Änderungen können ohne Zuhilfenahme dieser Bestandteile mißt. Es ist jedoch praktischer, das 15 komplizierter Apparaturen und ohne Röhrenverstärker Eingangssignal hinsichtlich Amplitude und Frequenz od. dgl. mittels der in Fig. 1 und 4 dargestellten konstant zu halten und die durch die untersuchte Brückenschaltung gemessen werden, ohne daß es erAtmosphäre hervorgerufene Änderung des Ausgangs- forderlich ist, mehrere Halbleitervorrichtungen zu bestromes, der Spannung, der Leistung usw. zu messen. nutzen, die in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung kann auch in 20 Bei den beschriebenen Meß schaltungen werden daher einen der Arme einer Brückenschaltung gelegt werden, Dioden oder Transistoren verwendet, wie sie in Fig. 3,9 wie sie in den anderen Figuren dargestellt ist, um die und 10 dargestellt sind. Wo in den beschriebenen dort dargestellten Dioden zu ersetzen. Die in der Schaltungen eine Diode nach Fig. 3 angegeben ist, Zeichnung dargestellten Bohrungen sind in der Grenz- kann daher auch an ihrer Stelle ein Transistor nach fläche des Kollektors angeordnet. Sie können auch in 25 Fig. 9 und 10 verwendet werden. Natürlich muß der der Grenzfläche der Basis oder des Emitters oder auch Transistor zwecks Messung von Änderungen des in mehreren dieser Grenzflächen zugleich angeordnet Widerstandes der Grenzstelle usw. entsprechend gesein. Darüber hinaus kann der Transistor unter ent- schaltet werden, wie aus der vorhergehenden Beschreisprechender Änderung der Vorspannung usw. auch in bung hervorgeht,
anderer Weise geschaltet sein. 30 Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor,
Nach Fig. 10 gelangt ein Transistor 326 mit federn- daß die durch die beschriebenen Schaltungen erzielten
dem Kontakt zur Anwendung. Das Gehäuse des Tran- Messungen eine Anzeige für die Anwesenheit oder
sistors 326 ist im wesentlichen in der gleichen Weise Abwesenheit elektrisch wirksamer Teilchen in der
ausgebildet wie das beschriebene Gehäuse 209. Für ent- untersuchten Atmosphäre ergeben. Diese Messungen
sprechende Teile wurden gleiche Bezugszeichen ver- 35 ergeben nicht oft von sich aus eine Selektivität, aus
wendet. Die in Fig. 10 dargestellte Schaltung und die der die Zusammensetzung der untersuchten Atmo-
Polarität der Vorspannungen entspricht einem NPN- Sphäre genau bestimmt werden kann. Die folgenden
Transistorverstärker mit geerdeter Basis, wobei das Ergebnisse der angestellten Untersuchungen jedoch
Eingangssignal von der Quelle 313 unter Zwischen- können dazu dienen, einen gewissen Grad von Selek-
schaltung einer Vorspannungsbatterie 316 an den 4<, tivität zu erzielen, der eine Analyse erleichtert:
Emitter und die Basis gelegt wird. Das zwischen dem 1. Die Halbleitervorrichtungen besitzen gegenüber
Kollektor und der Basis erscheinende Ausgangssignäl den verschiedenen Gasen und Dämpfen wenig oder
wird auf einen Belastungswiderstand 317 gegeben und keine Empfindlichkeit, wenn der Strom in Leitrich-
durch die Vorrichtung 327 gemessen. tung fließt, dagegen eine große Empfindlichkeit, wenn
Der Transistor 326 unterscheidet sich von den bisher 45 Strom in Sperrichtung zur Anwendung gelangt,
bekannten Transistoren dieser Art in mehrfacher Hin- 2. Die Änderungen der elektrischen Größen haben
sieht: zuweilen für verschiedene Atmosphären ein verschie-
1. Er verwendet einen federnden Kontakt 319, der denes Vorzeichen. Beispielsweise erfolgt die Wideraus einem breiten Streifen (in Fig. 11 dargestellt) her- Standsänderung in Gegenwart von O2, Cl2 und anderer gestellt ist und einen Linien- oder Flächenkontakt mit 50 elektrisch negativer Moleküle in positiver Richtung einer N-Typ-Halbleiterscheibe320 bildet, im Gegen- (Widerstandserhöhung), während die durch Wassersatz zu einem Punktkontakt wie bei den bisher bekann- dampf, Azeton, Alkohol und andere OH enthaltende ten Vorrichtungen. Moleküle bewirkte Änderung in negativer Richtung
2. Die in Kontakt mit der Scheibe 320 befindliche (Verringerung des Widerstandes) erfolgt.
Kante des Streifens 319 ist gezahnt, wie bei 319 a in 55 3. hängt die Empfindlichkeit gegenüber allen Gasen
Fig. 11 dargestellt, um eine Mehrzahl von Kontakten und Dämpfen in erheblichem Maße von der an die
oder Grenzstellen zu erhalten. Grenzstelle angelegten Spannung ab; darüber hinaus,
3. Die Kontaktstelle bzw. die Kontaktstellen sind für was noch wichtiger ist, ergeben die verschiedenen Gase Gase leicht zugänglich, die durch einen Einlaß 208 und und Dämpfe bei verschiedenen Spannungen sehr vereine Öffnung 321 eines Kunststoffgehäuses 322 fließen, 60 schiedene Empfindlichkeiten.
welches die Vorrichtung 326 umgibt. 4. wurde gefunden, daß die Wirkung zweier oder _ 4. Der Kontaktdruck des Streifens 319 kann durch mehrerer aktiver Bestandteile der Atmosphäre sich in eine Schraube 323 verändert werden, die auf die obere hohem Maße additiv verhalten. Werden einer Mi-Fläche des flachen Teiles 319 b des Streifens drückt; schung, die einen hohen Gehalt an Wasserdampf hat, der eingestellte Druck kann durch eine Gegenmutter 65 beispielsweise Alkoholdämpfe zugesetzt, so erzeugen 323a fixiert werden. diese, im wesentlichen im Verhältnis der zugesetzten Bei der Anordnung nach Fig. 10 wird das zu prü- Alkoholdämpfe, eine weitere Änderung der beobachfende Gas dem Kontakt oder der Grenzstelle des Emit- teten elektrischen Größen. Da Alkoholdämpfe eine ters zugeführt, während die gemessene elektrische elektrische Änderung in der gleichen Richtung beGröße, beispielsweise der Spannungsabfall des Be- 70 wirken wie Wasserdampf, d. h. eine Verringerung des
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Widerstandes, ist es möglich, in Gegenwart von Alkoholdämpfen Ablesungen zu erhalten, die erheblich über die höchste Konzentration, von Wasserdampf, d. h. über 100% hinausgehen.
5. wurde ferner gefunden, daß die elektrischen Anzeigen, d. h. die Änderungen der elektrischen Größen, der Konzentration der Atmosphäre nicht proportional sind= Für Konzentrationen, die etwas größer sind als Null, ist die Anzeige im allgemeinen sehr groß und wird dann kleiner und kleiner; für sehr große Kon- ία zentrationen wird die Kurve erheblich flächer. Die genaue Form der Kurve hängt in hohem Maße von der angelegten Spannung, und in geringerem Maße von der Temperatur und dem Kontaktdruck ab.
6. können gewisse Verfahren, die bei bekannten Gasprüfern verwendet werden, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um eine gewisse Selektivität zu erzielen. Meist benutzen diese Verfahren eines oder mehrere Filter in der Gaseinlaßoder Gasauslaßleitung, die gewisse Bestandteile zurückhalten. Daher ist es bei Benutzung eines Gasprüfers nach der Erfindung vorteilhaft, als Vergleichsgas die zu untersuchende Gasmischung zu verwenden, bevor oder nachdem der fragliche Bestandteil durch ein Filter ausgeschieden wurde. Zu diesem Zweck enthalten die in Fig. 7 und 8 dargestellten Anordnungen Filter und Ventile 190 und 191, die im Einlaß und im Auslaß der verschiedenen Gasleitungen angeordnet sind. Jedes dieser Filter enthält, wie in der Zeichnung dargestellt, ein Zweiwegventil und eine Umgehungsleitung, so daß jedes Filter je nach Wunsch in die zugehörige Leitung eingeschaltet oder umgangen werden kann. Ein Filter 191 (Fig. 7) kann auch im Gaseinlaß zum Gehäuse des Gasprüfers 10 angeordnet sein.
Die folgenden Ausführungsbeispiele der Anwendung einer Vorrichtung zum Untersuchen von Gasen, Dämpfen od. dgl., welche elektrisch wirksame Teilchen enthalten, sollen zeigen, wie die genannten Filter zur Erhöhung der Selektivität verwendet werden können.
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Beispiel I
Der Zweck dieser Anordnung ist die Bestimmung des Sauerstoffgehalts einer Atmosphäre, beispielsweise in U-Booten oder in Sauerstoffzelten von Krankenhäusern, wo die relative Feuchtigkeit in weiten Grenzen schwankt. Um dies durchzuführen, ist im Gaseinlaß der Gasprüfer nach Fig. 1, 4, 5, 7 oder 8 ein Trocknungsfilter angeordnet, um den Wasserdampf vor der Zuführung sowohl der Vergleichsatmosphäre als auch des zu untersuchenden Gases zum Gasprüfer zu entfernen. Das Filter kann in einfacher Weise aus einem U-förmigen Rohr bestehen, welches mit körnigem, wasserfreiem Magnesiumperchlorat (Mg(Cl O4) 2) oder -wasserfreiem Kalziumsulfat (Ca S O4) gefüllt ist. Auf diese Weise wird dem Gasprüfer und, falls vorhanden, auch dem Kompensator nur trockenes Gas zugeführt, so daß die Wirkung der unterschiedlicher Feuchtigkeit gänzlich ausgeschaltet wird. Die Eichung wird mittels einer analysierten Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff durchgeführt. Das Vergleichsgas zur Prüfung der Eichung ist im allgemeinen normale Zimmerkift oder, falls diese wie in einem U-Boot nicht zur Verfügung steht, eine bekannte Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff, die einem Vorratsbehälter entnommen wird.
Beispiel II
Eine Messung der Konzentration, d. h. des Gehalts, von Wasserdampf (oder Feuchtigkeit) in einer Gasmischung, welche keine Stoffe enthält, die in Magnesiumperchlorat oder Kalziumsulfat adsorbiert werden, kann in der Weise durchgeführt werden, daß man eine Trocknungszelle entweder in der Leitung des untersuchten Gases oder in der Leitung des Vergleichsgases anordnet, nicht jedoch in beiden zugleich, wenn nur ein einziger Gasprüfer zur Anwendung gelangt wie bei Fig. 1, 4 und 5. Wenn ein Kompensator zur Anwendung gelangt, wird er in diesem besonderen Falle nicht gemäß Fig. 7 und 8 entgegengesetzt zum Gasprüfer gepolt, sondern in der gleichen Richtung (vorzugsweise in Sperrichtung); das Trocknungselement wird vor den Einlaß entweder des Gasprüfers oder des Kompensators gesetzt, nicht jedoch vor beide wie beim Beispiel I.
Beispiel III
Die Messung von Alkoholdämpfen in der Ausatmungsluft einer Person, die der Trunkenheit verdächtig ist, kann in der Weise durchgeführt werden, daß man an Stelle des im Beispiel II verwendeten Trocknungsfilters ein Filter verwendet, welches vorzugsweise Alkoholdämpfe absorbiert, beispielsweise Kaliumbichromat und Schwefelsäure auf Siliziumdioxydgel. In Anbetracht der Tatsache, daß die ausgeatmete Luft stets einen sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt hat, und durch Wahl einer geeigneten Spannung, die an die Dioden des 'Gasprüfers und des Kompensators angelegt wird und bei der die Kurve für Wasserdampf in der Nähe der Feuchtigkeit von 100°/» sehr flach ist, kann die Wirkung des Alkoholdampfes so hervorgehoben werden, daß auch bei geringen Gehalten an Alkohol Anzeigen von mehr als 100% Feuchtigkeit erhalten werden.' Es ist daher nicht schwierig, zwischen größerer Feuchtigkeit und zusätzlichen Alkholmengen in der Größenordnung von 100 Teilen pro Million oder mehr zu unterscheiden. Wird ein solches Instrument benutzt, um die Anwesenheit von Alkoholdämpfen in anderen Gasen (also nicht im menschlichen Atem) zu bestimmen, deren Feuchtigkeitsgehalt weit unter 100% liegt, so wird dem Gas so viel Feuchtigkeit zugesetzt, daß der Feuchtigkeitsgehalt auf etwa 100% gesteigert wird, beispielsweise indem man Luft zusetzt, die durch Wasser hindurchgeleitet wurde.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfaßt auch Abänderungen, die im Rahmen des dargelegten Erfindungsgedankens liegen.

Claims (21)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen der reversiblen Ansprechbarkeit von Halbleiterdioden und Transistoren auf Gase, Dämpfe od. dgl., welche Ionen, polare Moleküle, geladene Teilchen oder leicht ionisierbare oder polarisierbare Atome oder Moleküle enthalten, dadurch, gekennzeichnet, daß durch das in üblicher Weise hergestellte Halbleiterelement in Gegenwart eines elektrisch wirksame Teilchen enthaltenden Gases od. dgl. — beispielsweise Sauerstoff, Wasserdampf oder Gas mit einem Polarmolekül (HCl, NH3) — für eine vorherbestimmte Zeit in Leitrichtung ein Strom vorherbestimmter Stärke hindurchgeschickt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom bis auf einen Wert gesteigert wird, der etwas unterhalb des Wertes liegt, bei dem ein Durchbrennen des Halbleiterelements erfolgen würde.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hindurchgeschickte Strom
in kleinen, aufeinanderfolgenden Schritten bis zum plötzlichen schnellen Stromanstieg erhöht und daß dann für kurze Zeit, vorzugsweise nicht mehr als 30 Sekunden, die der Stromregulierung dienende Einstellung unverändert beibehalten wird, worauf eine schrittweise Verringerung des Stromes zwecks Abkühlung des Halbleiterelements vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verfahrensschritte ein oder mehrere Male wiederholt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu drei solcher Wiederholungen vorgenommen werden.
6. Meßeinrichtung zum Untersuchen von Gasen, Dämpfen od. dgl., welche Ionen, polare Moleküle, geladene Teilchen oder leicht ionisierbare oder polarisierbare Atome oder Moleküle enthalten, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung (12), in deren einem Arm ein nach einem der Ansprüche 1 bis 5 behandeltes Halbleiterelement (26) angeordnet ist und die in bekannter Art in den anderen drei Armen meßbar veränderliche Impedanzen (20, 34, 32, 36) und in der Brückendiagonale eine Anzeigevorrichtung (18) enthält.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (26) von einem Gehäuse (22) umschlossen ist, das mit Zu- und Abführungsleitungen (30, 31) sowie mit Ventilen (55, 57) zur Zu- und Abführung einer Vergleichsatmosphäre bzw. der zu untersuchenden Atmosphäre versehen ist.
8. Meßeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Brückenschaltung durch Gleichstrom erfolgt.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Brückenschaltung durch Wechselstrom erfolgt.
10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement über einen Stromwender (43) an den einen Arm der Brückenschaltung angelegt ist und daß in Reihe mit dem Halbleiterelement ein Anzeigeinstrument (14) angeordnet ist.
11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (43, Fig. 4) vorgesehen ist, durch den das Halbleiterelement entweder mit dem einen Brückenarm oder mit einer Reihenschaltung von einer Stromquelle (62), einem Regelwiderstand (63) und einem Anzeigeinstrument (65) verbunden werden kann.
12. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Beobachtung der Welleneigenschaften dienendes Oszilloskop (84, Fig. 5) zum Halbleiterelement (26) parallel geschaltet ist.
13. Meßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor das Oszilloskop (84) ein Bandfilter (88) geschaltet ist, welches vorzugsweise durch einen Kurzschluß schalter (89) überbrückt werden kann.
14. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen des Halbleiterelements (26 in Fig. 5) eine Batterie (86) in Reihe mit einem Regel wider stand (87) gelegt ist.
15. Meßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensatoren (72, 91) vorgesehen sind, welche den Gleichstrom der Batterie (86) von der Brückenschaltung fernhalten.
16. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltung der unerwünschten Stromrichtung durch in Reihe oder parallel zu den Anzeigeinstrumenten geschaltete Gleichrichter (90, 93 in Fig. 5 oder 152 in Fig. 7) bzw. durch einen vor das Anzeigeinstrument (97) geschalteten Verstärker (98) erfolgt.
17. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Brückenarm (143 in Fig. 7) ein der Kompensation dienendes Halbleiterelement (Kompensator 139) vorgesehen ist, welches in seinen Eigenschaften dem im ersten Brückenarm (142) angeordneten, der Anzeige dienenden Halbleiterelement (26) entspricht, jedoch im Gegensatz zu diesem in Leitrichtung vom Strom durchflossen wird.
18. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltung des in Sperrichtung fließenden Stromes vom Kompensator (139) durch in Reihe mit ihm oder parallel zu ihm geschaltete Gleichrichter (153, 156) erfolgt.
19. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Wechsel- und Gleichstromquellen (162, 163, 166 in Fig. 8) vorgesehen sind, die über variable Widerstände (170, 174) mit den Speisepunkten der Brückenschaltung verbunden sind und es daher ermöglichen, sowohl die eine oder die andere Speisungsart als auch eine beliebige Kombination beider zu verwenden.
20. Meßeinrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen elektronischen Schalter (183 in Fig. 8), dessen Eingänge mit dem der Anzeige dienenden Halbleiterelement (26) und mit dem Kompensator (140) und dessen Ausgang mit der Reihenschaltung eines Filters (182) und eines Oszilloskops (181) verbunden ist.
21. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuführungsleitungen für die Vergleichsatmosphäre oder die zu untersuchende Atmosphäre Filter (190, 191, 192 in Fig. 8) vorgesehen sind, die gewisse Bestandteile der zugeführten Gase od. dgl. absorbieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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