DE1151880B

DE1151880B - Sperrschichtelektrodensystem

Info

Publication number: DE1151880B
Application number: DEN10842A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Antonius Jos Zwijsen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1954-06-30
Filing date: 1955-06-25
Publication date: 1963-07-25
Also published as: NL188867B; FR1137383A; US3085180A; BE539413A; GB774057A; NL94477C

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

N 10842 Vmc/21g

ANMELDETAG: 25. JUNI 1955

BEKANNTMACHUNG
DERANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 25. JULI 1963

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sperrschichtelektrodensystem, welches aus einem halbleitenden Körper mit wenigstens einer Elektrode besteht, die mit diesem Körper einen Gleichrichterkontakt bildet, wobei das System in einem teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllten, geschlossenen Gefäß untergebracht ist, sich oberhalb der Flüssigkeit gesättigter Dampf befindet und der reduzierte Druck bei der höchsten Betriebstemperatur höchstens 0,9 beträgt. Ein derartiges Elektrodensystem kann beispielsweise ein Transistor oder eine Kristalldiode sein.

Es ist ein Sperrschichtgleichrichter bekannt, der in einer Flüssigkeit untergetaucht ist, deren Siedepunkt unterhalb der höchstzulässigen Temperatur des Gleichrichters liegt. Diese Maßnahme bezweckt, ein Kochen der Flüssigkeit zu bewirken, sobald der Gleichrichter sich dem gefährlichen Temperaturbereich nähert, aber auch nicht eher. Bei einem Selengleichrichter werden Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt von 65 bis 70° C empfohlen.

Die bekannten Elektrodensysteme haben gemein, daß die Flüssigkeit im normalen Betrieb nicht kocht. Die Erfindung dagegen unterliegt der Erkenntnis, daß es vorteilhaft ist, die im Elektrodensystem beim normalen Betrieb entwickelte Wärme durch eine kochende Flüssigkeit abzuleiten. Sie beruht ferner auf der Erkenntnis, daß die Wahl einer Flüssigkeit mit einem niedrigeren Siedepunkt als bei den bekannten Systemen nicht genügt, denn die Art und Weise, auf welche die Flüssigkeit kocht, beeinflußt auch die Geschwindigkeit der Wärmeableitung. Läßt man z. B. die Flüssigkeit an der Oberfläche des Elektrodensystems zu schnell verdampfen, so kann ein Zustand eintreten, der mit dem sphäroidalen Zustand eines Tropfens auf einer glühenden Platte vergleichbar ist, so daß die Wärmeableitung im Gegenteil viel geringer wird. Auch die Bildung zu großer Gasblasen muß vermieden werden.

Gemäß der Erfindung beträgt bei einem Sperrschichtelektrodensystem der eingangs genannten Art der reduzierte Druck bei der niedrigsten, etwa zwischen — 10 und 20° C liegenden Betriebstemperatur wenigstens 0,01. Wenn die Flüssigkeit aus einem Gemisch besteht, so muß das Gemisch den obenerwähnten Bedingungen entsprechen.

Unter reduziertem Druck ist der Druck des gesättigten Dampfes nach Teilung durch den kritischen Druck zu verstehen.

Unter der niedrigsten Betriebstemperatur ist im allgemeinen die Zimmertemperatur (20⁰C) zu verstehen. Sollte das Elektrodensystem für besondere Anwendungen bei sehr niedrigen Temperaturen in Sperrschichtelektrodensystem

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität: Niederlande vom 30. Juni 1954 (Nr. 188 867)

Wilhelmus Antonius Joseph Marie Zwijsen,

Eindhoven (Niederlande), ist als Erfinder genannt worden

Betrieb kommen können, so muß dafür Sorge getragen werden, daß die Flüssigkeit bei diesen niedrigen

as Temperaturen den vorgeschriebenen reduzierten Druck erreicht.

Die maximale Betriebstemperatur ist — wenigstens bei den gegenwärtig angewendeten Sperrschichtelektrodensystemen — im wesentlichen von der Art des halbleitenden Materials, und zwar insbesondere vom Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband abhängig. Die maximale Betriebstemperatur beträgt bei Elektrodensystemen aus Germanium etwa 60° C, sie liegt bei Silizium viel höher.

Es ist naturgemäß auch möglich, daß die Betriebstemperatur durch andere Faktoren begrenzt wird, z. B. durch den Schmelzpunkt des Metalls oder der Legierung, aus der die Elektroden hergestellt sind. Die Maßnahme nach der Erfindung eignet sich besonders zur Kühlung besonders kleiner Sperrschichtelektrodensysteme, wie Hochfrequenztransistoren und -dioden, bei denen die wärmeableitende Oberfläche des Systems besonders klein ist, z. B. kleiner als 1 cm² oder sogar kleiner als wenige Quadratmillimeter. Dies soll aber nicht heißen, daß bei Anwendung der Erfindung bei größeren Systemen die Wärmeableitung nicht gleichfalls viel wirksamer ist als bei Anwendung der bisher verwendeten Flüssigkeiten mit einem höheren Siedepunkt.

Die Erfindung wird an Hand eines durch eine Figur verdeutlichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

309 648/183

Die Figur stellt einen schematischen Durchschnitt eines Transistors in einem Gefäß in vergrößertem Maßstab dar.

Als Gefäß ist ein Glasröhrchen mit einer verhältnismäßig starken Wandung 1 gewählt, in dessen Unterseite drei Leitungen 2 auf die bei Glühlampen übliche Weise eingeschmolzen sind. Das Röhrchen ist an der Oberseite bei 3 angeschmolzen. Eine der Leitungen trägt eine Germaniumplatte, die beiden anderen sind mit einer Emitter- und einer Kollektorelektrode verbunden. Der Durchmesser dieser Elektroden beträgt 250 bzw. 400 μ; die in diesem Elektrodensystem 4 entwickelte Wärme muß im wesentlichen durch den Emitter und den Kollektor auf die Kühlflüssigkeit übertragen werden; die Kühloberfläche beträgt daher etwa 0,2 mm².

Die mit 5 bezeichnete Kühlflüssigkeit ist Propan. Über der Flüssigkeit befindet sich gesättigter Dampf.

Ein solcher Transistor kann so stark belastet werden, daß die Verlustleistung 300 mW beträgt. Ein solcher Transistor ist für einen kleineren Sender geeignet. Vergleichsweise sei daran erinnert, daß der Glühfaden einer kleinen Glühlampe von 6 V, 0,05 Amp. den gleichen Wärmebetrag ableitet, während die den Glühkörper umhüllende Oberfläche größer ist. Wenn daher beim Kochen der Kühlflüssigkeit der sogenannte sphäroidale Zustand eintreten sollte, so würde das System sofort vernichtet werden.

Die Anwendung der Erfindung bringt mit sich, daß der innere Druck des Gefäßes bei Zimmertemperatur meist bereits einige Atmosphären beträgt und bei der maximalen Betriebstemperatur einige Zehner Atmosphären betragen kann. Darin unterscheiden die nach der Erfindung verwendeten Flüssigkeiten sich von den bisher verwendeten, die erst bei der maximalen Betriebstemperatur, d. h. weit oberhalb der Zimmertemperatur, zu kochen anfangen. Obwohl ein Glasröhrchen sehr hohe Drücke aushalten kann, wegen des Umstandes, daß es bei vielen Sperrschichtelektrodensystemen besonders klein sein kann, ist es mit Rücksicht auf die Sicherheit empfehlenswert, das Gefäß aus Metall herzustellen.

Bei der Wahl der Kühlflüssigkeit ist zu beachten, daß die elektrischen Eigenschaften des Systems dadurch nicht gefährdet werden. Polare Flüssigkeiten sollen in der Regel nicht verwendet werden.

Aus vielen Proben hat sich ergeben, daß die Gefahr des Auftretens eines unstabilen Kochzustandes in erster Annäherung der im Elektrodensystem entwickelten Wärme proportional und der mit der Flüssigkeit in Berührung befindlichen Oberfläche des Systems und dem kritischen Druck der Flüssigkeit umgekehrt proportional ist. Es ist daher zweckmäßig, eine Flüssigkeit mit einem hohen kritischen Druck zu wählen. Je höher dieser Druck ist, desto mehr Wärme kann sicher abgeleitet werden. Es ist aber zu beachten, daß der Dampfdruck bei der niedrigsten Betriebstemperatur wenigstens 0,01mal diesem kritischen Druck beträgt.

Im nachstehenden folgt eine Tabelle einiger Kühlflüssigkeiten, in der die kritische Temperatur mit T_k, der kritische Druck mit P_k und der reduzierte Druck mit Π bezeichnet ist.

k (⁰C)

-10° C

*2ο°<:

^X60°C

Π.

150° C

C₃H₆, Propan

CHClF₂, »Freon F₂₂« .....

CCl₂F₂, »Freon F₁₂«

C₂N₂, Cyan

C₄H₁₀, Isobutan

C₄H₁₀, η-Butan

C₅H₁₂, Pentan

CClF₂ — CCl₂F, »Freon F_m<

96 112 128 134 153 197,2 214 43
48,7
40,1
59

37
36
33
33,7

0,08

0,076

0,0545

0,047

0,21

0,0935

0,144

0,04

0,076

0,058

0,02

0,0111

0,46

0,515

0,386

0,254

0,242

0,162

0,06

0,57 0,38

Die Formel und die chemische Bezeichnung der verschiedenen Flüssigkeiten sind gegeben, mit Ausnahme der Nummern 2, 3 und 8, die Fluor enthaltende Verbindungen betreffen, die im Handel bekannt sind unter dem Namen »Freon« mit nachfolgendem Buchstaben F und einer Nummer.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, sind sämtliche gegebenen Flüssigkeiten bei Betriebstemperaturen zwischen 20 und 60° C verwendbar; bei letzterer Temperatur liegt der reduzierte Druck Π in samtliehen Fällen noch weit unterhalb der Grenze.

Soll das Elektrodensystem bei einer niedrigen Temperatur, wie z. B. —10° C, verwendet werden, so kommen nur die Nummern 1 bis 3 und 6 in Frage, da der reduzierte Druck der anderen Flüssigkeiten bei dieser Temperatur zu niedrig ist.

Muß dagegen das Elektrodensystem bei einer höheren Temperatur, wie z. B. 4-150° C, betrieben werden, so kommen nur die Nummern 7 und 8 dieser Beispiele in Frage, da bei den anderen die kritische Temperatur niedriger als 150° C ist oder, im Falle von η-Butan, so wenig höher als 150° C ist, daß der reduzierte Druck ZZ₁₅₀O _c höher als 0,9 ist.

Claims

Patentansprüche :

1. Sperrschichtelektrodensystem, welches aus einem halbleitenden Körper mit wenigstens einer Elektrode besteht, die mit diesem Körper einen Gleichrichterkontakt bildet, wobei das System in einem teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllten, geschlossenen Gefäß untergebracht ist, sich oberhalb der Flüssigkeit gesättigter Dampf befindet und der reduzierte Druck bei der höchsten Betriebstemperatur höchstens 0,9 beträgt, insbesondere Transistor oder Kristalldiode, dadurch ge kennzeichnet, daß der reduzierte Druck bei der

niedrigsten, etwa zwischen —10 und 20° C liegenden Betriebstemperatur wenigstens 0,01 beträgt.

2. Sperrschichtelektrodensystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsoberfläche des Systems mit der Flüssigkeit kleiner als 1 cm² ist.

3. Sperrschichtelektrodensystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsoberfläche kleiner als 10 mm² ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 632 821, 650 177, 425;

»Grimsehls Lehrbuch der Physik«, 1943, Bd. 1, S. 511 bis 515;

»Hütte«, 1925, Bd. 1, S. 480;
D'Ans und Lax, »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«, 1949, S. 866;

»AEG-Mitteilungen«, Bd. 41 (1951), H. 9/10, ίο S. 167.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen