DE1146152B - Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfaehigkeit, insbesondere fuer elektrische Entladungsroehren - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß alle gebräuchlichen Isolatoren in geringem Umfang stromleitend sind und diese Leitfähigkeit bei ansteigender Betriebstemperatur zunimmt. Die Leitfähigkeit beruht dabei je nach der Art der Isolierstoffe auf Ionenleitung oder auf elektronischer Leitung. Isolierstoffe, die bei höheren Temperaturen bevorzugt elektronisch leitend werden, verhalten sich dabei ähnlich wie Halbleiter. Das bedeutet, daß bei diesen Isolierstoffen bei ansteigender Temperatur zunächst eine Störstellenleitung auftritt, die bei sehr hohen Temperaturen in die Eigenleitung übergeht. Im Bereich der Störstellenleitung unterscheiden sich die Isolierstoffe mit bei hohen Temperaturen bevorzugt elektronischer Leitung noch dadurch, daß die einen Elektronenleitung (n-Leitungstyp) und die anderen Defekt-Elektronenleitung (p-Leitungstyp) aufweisen. Die Zunahme der Leitfähigkeit bei ansteigenden Temperaturen ist nachteilig, da insbesondere bei dünnen Isolationsschichten die Gefahr besteht, daß die Durchschlagsleitfähigkeit erreicht wird und ein Durchschlag erfolgt.

Aus der Halbleitertechnik ist es bekannt, daß an der Übergangsstelle von einer p-leitenden Schicht auf eine η-leitende Schicht ein Gleichrichtereffekt auftritt; beim Anlegen einer Vorspannung an die n-leitende Schicht, die im Vergleich zu der an die p-leitende Schicht angelegten Vorspannung positiv ist, fließen nämlich durch eine solche Halbleiteranordnung nur sehr kleine Ströme. Die Stromrichtung, in der nur kleine Ströme fließen, wird dabei als Sperrichtung bezeichnet. Infolge der starken Sperrwirkung können an einen Gleichrichter, der einen p-n-Übergang aufweist, sehr hohe Spannungen angelegt werden, ohne daß ein Durchschlag erfolgt. An dem p-n-Übergang bildet sich gleichzeitig eine sehr hohe Kapazität aus, die zum Bau von Kondensatoren ausgenutzt wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Sperrwirkung auszunutzen, um den Kollektor eines Transistors elektrisch gegen sein Gehäuse zu isolieren. Die Wärmeleitung zu dem Gehäuse wird dabei nicht unterbrochen. Auch in diesem Fall handelt es sich jedoch um eine Anwendung der bekannten Sperreigenschaften von Halbleitern.

Der Erfindung liegt die Feststellung zugrunde, daß der aus der Halbleitertechnik bekannte Gleichricht- bzw. Sperreffekt auch bei Isolierstoffen mit bevorzugt elektronischer Leitung auftritt und daß insbesondere bei höheren Temperaturen die Isolierstoffe durchfließende Ströme von diesem Sperreffekt beeinflußt werden. Der Sperreffekt an der Übergangsstelle ist jedoch nur in der Sperrichtung wirksam; in der anderen Richtung hingegen werden die den Isolator Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit, insbesondere für elektrische Entladungsröhren

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H., Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Dr. Karl Alexander Otto Heinze, Hamburg-Niendorf, ist als Erfinder genannt worden

durchfließenden Ströme ungenügend herabgesetzt. Ein mit einer p-n-Übergangsstelle versehener Isolator würde daher nur bei Verwendung von Gleichspannungen, nicht hingegen bei Wechselspannungen eine ausreichende Isolierung herbeiführen.

Gemäß der Erfindung wird auch bei höheren Temperaturen von beispielsweise 1000⁰C eine ausreichende Isolierung erreicht mit einer Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, und zwar dadurch, daß die Anordnung in der gewünschten Isolationsrichtung aus Isolierstoffen geschichtet ist und zwei oder mehr Schichten von bei hoher Temperatur entgegengesetztem Leitungstyp abwechselnd aneinandergereiht sind.

Diese Isolatoranordnung gemäß der Erfindung weist mehrere p-n-Übergangsstellen zwischen abwechselnd aneinandergereihten η- und p-leitenden Schichten vorzugsweise polykristalliner Struktur auf, die beim Anlegen sowohl von Wechselspannungen als auch von Gleichspannungen die Isolationsströme ausreichend herabsetzen. Durch die bewußte Anordnung von mehreren in verschiedenen Richtungen sperrenden p-n-Übergangsstellen wird somit ein Isolator sehr hoher Durchschlagsfestigkeit und hohen Widerstandes erzeugt.

Die Schichten von wechselndem Leitungstyp können dabei beispielsweise durch Dotieren der Schicht des einen Leitungstyps, die vorzugsweise aus gereinigtem Al₂Oj besteht, mit zur Dotierung geeigneten Stoffen, wie Oxyden der Erdalkalimetalle oder Spinellen der Form M²⁺N₂ ³⁺O₄ ²-, erzeugt werden.

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Die Grenzflächen der aneinanderstoßenden η- und p-leitenden Schichten — die p-n-Übergangsstellen — sind nach der Auf einanderschichtung sehr scharf gezogen. Dies hat zur Folge, daß an diesen hohe Sperrschichtkapazitäten bestehen, die beim "Anlegen .,«on Wechselspannungen zu Blindströmen führen. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Kapazitäten wird die Isolatoranordnung daher nach dem Aneinanderreihen der Schichten bei Temperaturen gesintert, die so hoch sind, daß durch Diffusion eine merkliche Verbreiterung der Grenzflächen zu Übergangszonen erreicht wird. Vorzugsweise erfolgt die Sinterung oberhalb einer Temperatur von 1200° C und kann je nach der Art der verwendeten Isolierstoffe in einer Schutzgasatmosphäre, in Luft oder auch bei Unterdruck vor sich gehen. Zur Beschleunigung des Diffusionsvorganges erweist es sich dabei als besonders vorteilhaft, wenn während der Sinterung an die Isolatoranordnung eine Wechselspannung gelegt wird.

Die Isolatoranordnung gemäß der Erfindung eignet sich besonders zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit von Kathodenheizungen elektrischer Entladungsröhren und macht diese brummarm.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine mit einer Isolatoranordnung gemäß der Erfindung versehene Kathode einer elektrischen Entladungsröhre;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine abgewandelte Isolatoranordnung für die Kathode einer elektrischen Entladungsröhre.

Der aus Wolfram bestehende Heizdraht 1 der Kathode einer elektrischen Entladungsröhre ist mit einer polykristallinen Schicht 2 aus gereinigtem n-leitendem Al₂O₃ bedeckt. Unmittelbar am Rand des Heizdrahtes 1 hat sich bei der Bedeckung mit Hilfe von Reaktionsstoffen des Wolframs mit dem Al₂O₃ eine p-leitende Al₂O₃-Schicht 3 gebildet.

Die Innenwand 4 des Kathodenmantels ist mit einer polykristallinen Al₂O₃-Schicht 5 bedeckt, die durch Dotieren in eine p-leitende Schicht umgewandelt ist. Die Dotierung ist mit Hilfe des Spinells Mg Al₂O₄ durchgeführt. Auch die Erdalkalimetalloxyde MgO und BeO sind jedoch zur Dotierung geeignet. Bei Untersuchungen wurde festgestellt, daß bereits 5 bis 10 Gewichtsprozent MgO ausreichen, um bei gereinigtem Al₈O₃ infolge von Spinellbildung mindestens zu einer p-leitenden Randschicht zu gelangen. Zwischen den Isolationsschichten 3, 2 und 5 befinden sich bei dieser Isolatoranordnung zwei Übergangsstellen 6, die ausreichen, um bei behebiger Polarität der Spannung zwischen dem Wolframheizdraht und dem Kathodenmantel geringe Querströme durch den Isolator zu erhalten.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenso wie bei dem Beispiel nach Fig. 1 der Wolframheizdraht 1 mit einer polykristallinen n-leitenden Al₂O₃-Schicht 2 bedeckt, die unmittelbar am Draht in eine p-leitende Schicht 3 umgebildet ist. Die Innenwand 4 des Kathodenmantels ist jedoch mit einer η-leitenden polykristallinen MgO-Schicht7 bedeckt. Dort, wo die η-leitende MgO-Schicht7 die η-leitende Al₂O₃-Schicht 2 berührt, ist dabei infolge von Diffusion des MgO in das Al₂O₃ eine p-leitende Zwischenschicht 8 entstanden. Zwischen den Isolationsschichten 3, 2, 8 und 7 befinden sich bei dieser Isolatoranordnung drei Übergangsstellen, die eine noch bessere Unterdrückung von Querströmen im Isolator gewährleisten.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere für elektrische Entladungsröhren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in der gewünschten Isolationsrichtung aus Isolierstoffen geschichtet ist, wobei zwei oder mehr Schichten (3, 2, 5 bzw. 3, 2, 8, 7) von bei hoher Temperatur entgegengesetztem Leitungstyp abwechselnd aneinandergereiht sind.

2. Isolatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd n- (2 bzw. 2 und 7) und p-leitende Schichten (3 und 5 bzw. 3 und 8), vorzugsweise polykristalliner Struktur, aneinandergereiht sind.

3. Isolatoranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine n-leitende Schicht (2) aus Al₂O₃ besteht.

4. Isolatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Schicht (5 bzw. 8) durch Dotieren von Al₂Oj mit Oxyden der Erdalkalimetalle, vorzugsweise MgO oder BeO, gebildet ist.

5. Isolatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Schicht (5) durch Dotieren des Al₂Oj mit Spinellen, vorzugsweise Mg Al₂O₄, gebildet ist.

6. Isolatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszonen (6) zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit durch Sintern — vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre oder bei Unterdruck und bei an die Anordnung angelegter Wechselspannung — bei hohen Temperaturen, vorzugsweise oberhalb 1200°C, infolge der dabei eintretenden Diffusion merklich verbreitert sind.

7. Isolatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6 für Kathoden elektrischer Entladungsröhren, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenheizdraht (1) mit einer Schicht (2) aus n-leitendem Al₂O₃ bedeckt ist, die am Übergang zum Heizdrahtmetall (1) durch Reaktionsprodukte zu einer p-leitenden Schicht (3) umgebildet ist, und daß die Innenwand (4) des Kathodenmantels mit einer p-leitenden Schicht (5) bzw. (8) versehen ist.

8. Isolatoranordnung für Kathoden nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Schicht (S) auf der Innenwand (4) des Kathodenmantels aus dotiertem p-leitendem Al₂O₃ besteht.

9. Isolatoranordnung für Kathoden nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (4) des Kathodenmantels mit einer n-leitenten MgO-Schicht (7) bedeckt ist, die an den Berührungsstellen mit der η-leitenden Oberfläche der Al₂O₃-Schicht (2) des Heizdrahtes (1) infolge Diffusion eine p-leitende Zwischenschicht (8) bildet.

In Betracht gezogene ältere Rechte: Deutsche Patentschrift Nr. 1 080 693.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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