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Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung, insbesondere hochstabiles
Temperaturnornial Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung
eines Körpers, bei der ein oder mehrere elektronische Bauelemente mit wärmeerzeugenden
und mit temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften mit dem Körper in gutem
Urmekontakt stehen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein hoch-temperaturstabiles
Temperaturnormal fttr eine vorgegebene Temperatur.
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Zur Temperaturkonßtanthaltung, insbesondere bei einem Thermostat,
ist bereits die Verwendung Yon sog. Kaltleiterbauelementen auf der Basis dotierten
Bariumtitanats vorgeschlagen worden. Dieso Kaltleiter haben in einen bestimmten
Temperaturbereich eine starke Änderung ihres elektrischen Widerstandes. Die Steilheit
des Anstieges des elektrischen Widerstandes ist ein Maß ftr die alt Kaltleitern
erreichbare Temperaturkonstanz. Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften kann
der Kaltleiter außerdem auch als wärmeerzeugender Heizkörper eingesetzt werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine wie oben angegebene Vorrichtung
anzugeben, die trotz einfachen Aufbaus eine noch hdhere Temperaturkonstanz ermöglicht.
Insbesondere soll die Vorrichtung derart sein, daß sie in integrierte Halbleiterschaltungen
einzuordnen ist. Vorzugsweise soll die Temperaturkonstanz so hoch sein.-daß die
Vorrichtung als Reterenskontatt eines genau anzeigenden Thermoelementes verwendbar
ist.
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Aufgaben dieser und ähnlicher Art werden durch ernte wie oben angegebene
Vorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gelcennzeichnet ist, daß als Bauelement
ein Transistor in einem Halbleiterkörper vorgesehen ist, an dem in gutem Wärmekontakt
eine Diode aus einer Substanz mit anomalem Leitfähigkeitssprung, wie er von Vanadiumdioxid
bekannt ist, angebracht ist, deren elektrische Anschlüsse mit der Basis einerseits
und dem Emitter des Transistors andererseits elektrisch verbunden sind, so daß die
Basis-tnitterstrecke des Transistors elektrisch überbrücke ist, wobei diese Diode
im übrigen auf dem Transistor elektrisch isoliert angebracht ist. Insbesondere ist
bei dem Transistor die Basis über einen elektrischen Widerstand mit dem Kollektor
verbunden.
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Vorzugsweise kann ein Feldeffekt-Transistor vorgesehen sein, bei dem
Emitter und Basis üblicherweise auch als Source und Gate bezeichnet werden.
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Insbesondere ist der temperaturkonstant zu haltende Körper der Halbleiterkörper
selbst.
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Anstelle eines Transistors können ,m Si-nne der Erfindung auch andere
steuerbare und wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente, wie Thyristoren, vorgesehen
sein.
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Vorteilhafterweise wird für die Diode ein Einkristallverwendet.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit der Diode und dem steuerbaren
und wärmeerzeugenden Transistor, bzw. einem entsprechend wirksamen Ealbleiterbauelement-
eine wärmemäßig und elektrisch funktionelle Einheit zu bilden.
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Gemäß einer besonderes bevorzugten Verwendung der Erfindung ist rergesehen,
aie- erlin-iungsgemäße Vorrichtung als integralen Bestand @@ einer integrierten
Schaltung auszuführen. Eine andere bevor zugte Anwendung ist diejenige, bei der
der temperaturkonstant zu haltende Kürper, nit dem die Vorrichtung gut wärmeleitend
der
bunden ist, der Referenzkontakt eines Thermoelementes ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren und der Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie aus Variationen dieser Ausführungsbeispiele
hervor.
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Figur 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
zwar in der Verwendung als Thermostat für den Referenzkontakt eines Thermoelementes.
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Figur 2 zeigt das Prinzipschaltbild für den Betrieb einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Figur 3 zeigt die Aufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf
bzw. in dem Substrat einer integrierten Schaltung.
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In Figur 1 ist mit 1 der Körper bezeichnet, der von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden soll. Insbesondere ist
dieser Körper eine Platte 2US Kupfer. Mit 3 ist ein EIalbleiterkötper bezeichnet,
in dem sich der Transistor befindet. Der Körper 3 ist mit schematisch angedeuteten
Elektroden 5 und 7 als Basis und Emitter dieses Transistors versehen. Als Kollektolnanschluß
ist der Körper 1 wirksam. In dem Falle, daß der Körper 1 elektrisch nichtleitend
ist, ist eine zusätzliche Elektrode an dem Körper 3, z.B. auf der, den Elektroden
5 und 7 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers vorgesehen. Mit 9 is-t die
Diode aus der Substanz mit anomale Leitfähigkeitssprtmg bezeichnet, an der die elektrischen
Anschlüsse'11 und 13 dieser Diode angebracht sind. Die Diode ist insbesondere bei
Vanadiumdioxid vorzugsweise in der Form einer Nadel 91 ausgeführt. Die Nadel 91
befindet sich in der Nähe des Halbleiterkörpers 3 des Transistors und steht mit
diesem in gutem Wärmekontakt. Elektrisch ist die Nadel 91 der Diode 9 (abgesehen
von den Verbindungen dieser Anschlüsse mit den Anschlüssen des Transistors) jedoch
gegenüber dem Eörper 3 i.e,olicrt angebracht Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Nadel 91 in eine elektrisch relativ gut isolierende Wärmrleitpaste
16 eingebettet, die auch den Halbleiterkörper 3 wenigstens einseitig umschließt.
Die Wärmeleitpaste
16 vermittelt außerdem auch einen guten Wärmekontakt
zu dem Körper 1. Derartige Pasten sind bekannt und handelsübliche Mit 15 und 17
sind Kontaktstifte bezeichnet, die elektrisc-ll isoliert durch den Körper 1 hindurchgeführt
sind. Mit dem Kontaktstift 15 sind die Elektroden 5 durch die Leitung 6 und der
hnsciiluß ii durch die Leitung 12 elektrisch verbunden. In entsprechender Weise
sind durch die Leitungen 8 und 14 der Kontakt stift 17 mit der Elektrode 7 und dem
Anschluß 13 verbunden. Mit 18 ist ein Anschlußstift für den elektrischen Anschluß
des Kollektors bezeichnet.
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Mit 19 ist der Referenzkontakt eines Thermoelementes mit den Schenkeln
20 und 21 bezeichUetO Dieser Referenzkonta.kt steht mit dem Körper 1, z.B. durch
eine Lötverbindung oder mittels einer Wärmeleitpaste 16, in gutem Wärmekontakt.
Der Referenzkontakt 19 kann auch unmittelbar an dem HaLbleiterkörper angeordnet
sein.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemä.ße Vorrichtung mittels einer Kappe
25 gegenüber der Umgebung abgedeckt.
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Figur 2 zeigt das Prinzipschaltbild für den Betrieb einer der Erfindung
gemäßen Vorrichtung. Mit 31 ist der Transitor beseichnet, der beim Ausführungsbeipsiel
nach Figur 1 durch den Halbleiterkörper 3 mit den Elektroden 5 und 7 gebildet wird.
Die Anschlüsse des Transistors 31 -tragen in Figur 2 die Bezeichnungen der Leitungen
6, 8 und des Stiftes 18 aus Figur 1. Mit 35 ist ein Widerstand bezeichnet, der zusammen
mit der Diode 9 eine Spannungsteilung für den Basisanschluß 6 bewirkt. Eine an der
erfindungsgemäßen Vorrichtung anliegende elektrische Gleichspannung 37 bewirkt einen
elektrischen Stromfluß durch den Transistor 31, dessen Stromstärke durch das Widerstandsverhältnis
der Diode 9 und des Widerstandes 35 zueinander bestimmt ist. Solange der elektrisch
Widerstand der Diode 9 groß ist, fließt ein starker elektrischer Strom durch den
Transistor hindllrch, der diesen erheblich aufheizt.
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Durch die Erwärmung dieses Transistors wird auch der Körper 1 und
die
Nadel 91 der Diode 9 mit erwärmt. Sobald Jedoch die Temperatur des Leitfähigkeitssprunges
der Substanz der Nadel 91 erreicht ist, wird die Diode 9 niederohmig und der Transistor
elektrisch gesperrt. Im eingeregelten Zustand wird der Halbleiterkörper 3 und damit
der Körper 1 und die Nadel 91 genau auf der Temperatur des Leitfähigkeitssprunges
gehalten.
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Bei der Verwendung von Vanadiumdioxid (VO2) als Substanz für die Diode
beträgt diese Temperatur 65,50 C. Anstelle von V02 können auch andere Substanzen,
wie V203 oder VnO2n 1 mit n = 1, 2, 3 verwendet werden (hierzu siehe auch Phys.
Rev. Litt. 3 (1959) 34).
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Die Substanzen haben Jeweils Temperaturwerte für den anomalen Leitfähigkeitssprung,
die ihnen charakteristisch sind. In an sich bekannter Weise kann der Temperaturwert
des Leitfähigkeitssprunges auch durch Dotierungen der Substanz verändert sein. Z.B.
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kann bei Vanadiumdiosid durch Dotierung mit Chrom die Temperatur des
Sprunges, abhängig vom Dotierungsgrad, auf Werte zwischen 200 und 5000K verschoben
werden.
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Figur 3 zeigt in einer Aufsicht ein Ausführungsbeispiel für die bevorzugte
Verwendung einer der Erfindung gemäßen Vorrichtung als Thermostat in einer integrierten
Schaltung. Die Einzelheiten dieser Ausführungsform sind der besseren Übersichtlichkeit
halber lediglich schematisch angedeutet. Mit 41 ist das beispielsweise n-leitende
Substrat einer integrierten Schaltung bezeichnet.
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Der in Figur 1 angegebene Halbleiterkörper 3 ist bei dieser Ausführungsform
ein integraler Bestandteil dieses Substratkörpers 41.
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Die Nadel 91 der erfindungsgemäß vorgesenenen Diode 9 befindet sich
in einer Ebene dicht oberhalb des Substratkörpers 41 und ist in eine wie bereits
erwähnte, auf dem Substrat befindliche Wärmeleitpaste eingebettet. Die elektrischen
Anschl.i3se von Elnitter 7 und Basis 5 des als Heizung aienenden Transistors 31
sind, wie an sich bekannt, durch entsprechende Leiterbahnen 6 und 8 auf oder in
dem Substrat realisiert.
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Bei integrierten Schaltungen ist der Hciztransistor 31 im Regelfall
gegenüber der erfindungsgemäß vorgesehenen Diode 9 sehr
klein, so
daß die Nadel 91 dieser Diode über diesen weit hinausragt, wie dies aus der Figur
3 ersichtlich ist. In Figur 3 sind auch die elektrischen Verbindungen zwischen den
Anschlüssen 11 und 13 der Diode und den Leitungen 6 und 8 zum Transistor zu entnehmen.
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Der Substratkörper 41.ist beispielsweise 1mm2 groß, der Transistor
nimmt etwa die Fläche 10 2 mm ein und die Nadel 91 hat etwa die Abmessung 1mm z
3 . 10 2 mm x 3 . 10~2mm.
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Durch die Kreise 43 sind sonstige Schaltelemente der integrierten
Schaltung angedeutet, die in der Jeweiligen gewünschten Weise miteinander verbunden-
sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung auf dem Substrat bewirkt, daß bei Anliegen
einer entsprechend elektrischen Spannung an dem Transistor 31, dieser das Substrat
41 in der oben angegebenen Weise auf die durch die Substanz der Nadel 91 bestimmte
Temperatur erwärmt. Gegebenenfalls sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen über
die Oberfläche des Substrates verteilt angeordnet, wodurch eine flächenmäßig noch
gleichmäßigere Temperaturkonstanthaltung des Substratkörpers 41 möglich ist.
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13 Patentansprüche 3 Figuren