DE823468C

DE823468C - Elektrische UEbertragungsvorrichtung mit einem aus Silizium bestehenden Kontakt-Gleichrichterelement

Info

Publication number: DE823468C
Application number: DEP28906D
Authority: DE
Inventors: Russell Schumacher Ohl
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1941-03-27
Filing date: 1948-12-31
Publication date: 1951-12-03
Also published as: BE473051A; US2402839A; FR941900A; NL73698C; GB594121A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Übertragungsvorrichtungen, bei welchen Silizium verwendet wird, insbesondere bezieht sie sich auf Vorrichtungen mit hochgradig reinem Silizium für die Änderung der Frequenz oder Wellenform elektrischer Schwingungen. Wichtige Anwendungen solcher Vorrichtungen sind die Modulation, Demodulation oder Gleichrichtung elektrischer Schwingungen und die Erzeugung der Harmonischen von Grundfrequenzschwingungen.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer einfachen, handfesten, wirksamen und billigen elektrischen Übertragungsvorrichtung des Spitzenkontakttyps, die in der Lage ist, wirkungsvoll bei Frequenzen der Größenordnung von 10cm Wellenlänge und weniger zu arbeiten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer elektrischen Übertragungsvorrichtung für Schwingungen mit extrem niedriger Amplitude, wobei die Einführung von Geräusch bei Betätigung der Übertragungsvorrichtung so gering wie möglich sein soll.

Die Erfindung hat außerdem zum Ziel, die Leistungsfähigkeit von asymmetrisch leitenden Übertragungsvorrichtungen des Spitzenkontakttyps mit fester Fläche dadurch zu steigern, daß der Widerstand des Rückflächenkontakts des Körpers verringert wird.

Die Erfindung will weiter die Möglichkeit für den Bau von Siliziumflächenkontaktübertragungsvorrichtungen schaffen, die vorher bestimmbare Übertragungscharakteristiken haben sollen.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung

eines beständigen Demodulationssystems für Schwingungen von solch hohen Frequenzen, daß Elektronenentladungsvorrichtungen der üblichen Bauarten unwirksam sind.

Die Erfindung bezweckt außerdem die Auswertung eines Siliziumblocks, um daraus möglichst viele elektrische Ubertragungsvorrichtungen von gegebener Größe herzustellen.

ίο Bisher hat sich die Technik des Empfangs elektromagnetischer Wellen weitgehend auf die Elektronenentladungsvorrichtung konzentriert, die schon seit langem die früheren Kontaktgleichrichter oder Detektoren in den allgemeinen von D u η woody und Pickard entwickelten Formen verdrängt haben, bei welchen die asymmetrische Leitfähigkeit eines Kontakts zwischen einer Metallspitze und der Oberfläche eines sogenannten Halbleiterkörpers ausgenutzt wurde. Dieser Wechsel in ao der Praxis des Radioempfangs war durch viele Faktoren bedingt; dazu gehören die Verstärkungsfähigkeit der Elektronenentladevorrichtung, welche die Verstärkung schwacher eintretender Energie und die Überwindung geringer Detektorwirkung ermöglicht, außerdem die hohe Stabilität der Elektionenentladevorrichtung und die Einfachheit, mit welcher sie sich für die Kopplung, an abgestimmte oder selektive Kreise eignet.

Da die Technik der Übertragung elektromagnetischer Wellen in der Richtung höherer Frequenzen vorwärtsschreitet, ist ein Punkt erreicht, wo die übliche Elektronenentladevorrichtung vergleichsweise unwirksam wird. Dieser Punkt, der irgendwo im Bereich von iooo Megahertz liegt, ist durch Faktoren bedingt, die sich aus der Tätigkeit dieser Elektronenentladungsvorrichtungen ergeben, z. B. durch die Kapazität des Eingangskreises und durch die merkliche Laufzeit der Elektronen, wenn man dieselbe nach der Zahl der Schwingungen mit extrem hoher Frequenz mißt.

Ein Studium der Kontaktgleichrichterdetektoren als mögliche Alternative für die Elektronenentladevorrichtung führt dazu, daß eine Reihe von Charakteristiken äußerst erwünscht sind in einer *5 Substanz, aus welcher ein Körper als Kontaktdetektor verwendet werden soll. Ein sehr bedeutsamer Punkt ist die Gleichrichtungseigenschaft, welche von dem Widerstandsverhältnis abhängt, d. h. von dem Verhältnis zwischen dem Strom, welcher den Detektor durchquert, wenn eine gegebene Spannung gleicher Richtung aufgedrückt wird, und dem Strom, der fließt, wenn die gleiche Spannung in der umgekehrten Richtung angelegt wird. Die Beständigkeit des Gleichrichtungskontaktes ist ebenfalls von Bedeutung; sie hängt ihrerseits ab von der chemischen Passivität der verwendeten Materialien und der mechanischen Ausbildung der Kontaktelemente. Ein anderer wichtiger Punkt besteht darin, daß der Körper einen genügend kleinen spezifischen Widerstand hat.

Eine Kontaktgleichrichtungsvorrichtung kann unter gewissen Bedingungen als asymmetrischer Gleichrichter mit einem Nebenweg, der in Reihe Widerstand und Kapazität enthält, angesehen werden. Der Nebenweg bewirkt eine Verminderung der Empfindlichkeit und eine Änderung in der exponentialen Ansprechcharakteristik, wenn die Frequenz über bestimmte Grenzen hinausgeht. Im allgemeinen nimmt der durch solche Vorrichtungen gehende Strom als eine exponentiale Funktion der wachsenden Spannung zu. Wenn eine wechselnde elektromotorische Kraft angelegt wird, so kann man für praktische Zwecke innerhalb relativ niedriger Bereiche der angelegten Spannung annehmen, daß der gleichgerichtete Strom sich entsprechend dem Quadrat der angelegten Spannung ändert. Das ist recht befriedigend für den Signalempfang und für Meßzwecke.

Die Hochfrequenzgrenze, bis zu welcher ein Kontaktgleichrichter wirksam bleibt, hängt von den Flächenverhältnissen an dem Gleichrichtungskontakt ab. Wenn z. B. ein Spitzenkontakt an einer vollkommen aktiven Stelle hergestellt wird, kann eine sehr wünschenswerte Charakteristik erhalten werden. Wenn andererseitig der Kontakt an einer Stelle gemacht wird, die teils aktiv und teils inaktiv ist, so wird der inaktive Teil einen wirksamen Nebenweg entstehen lassen und auf diese Weise die Empfindlichkeit der Vorrichtung als Ganzes verringern. Es ist daher wichtig, daß Vorrichtungen dieser Art aus Materialien erstellt werden, deren Oberflächenstellen so vollkommen aktiv wie möglich sind.

Eine andere Besonderheit, die für die Leistungsfähigkeit von Detektoren des Kontaktgleichrichtertyps Bedeutung hat, ist das durch den Detektor eingeführte Geräusch. Dieses ist abhängig von der verwendeten besonderen Substanz und auch von der Amplitude der Ströme, die auf den Detektor einwirken. Wenn z. B. ein Superüberlagerungssystem mit einem Zerhacker verwendet wird, wächst das Geräusch mit der Leistungsaufnahme der Zerhackerschwingungen in der Weise, daß für niedrige Stärken des Schwingungsstromes die Signalzunahme infolge wachsender Amplitude der Zerhackerschwingungen rascher vor sich geht als die Zunahme an Geräusch, während für große Stärken des Schwingungsstromes die Signalzunahme mit wachsenden Zerhackerschwingungen nur gering, die Geräuschzunahme aber groß ist.

Es ist zu beachten, daß die verschiedenen Charakteristiken und wünschenswerten Besonderheiten, welche aufgezeigt worden sind, für die praktische Ausnutzung beim Empfang von Millimeterwellen, in einem Gerät verwirklicht werden müssen, dessen physikalische Dimensionen für den Empfang solcher Wellen geeignet sind, und welches daher extrem kleine Ausmaße hat. Das beruht darauf, daß für die Übertragungen in diesem Frequenzbereich koaxiale Kreise und Wellenführungen angewendet werden, bei denen es häufig erwünscht ist, das Übertragungssystem innerhalb der koaxialen Leitung oder Wellenführung unterzubringen. Die kleinen physikalischen Dimensionen, die die Kontaktelementübertragungsvorrichtung erhält, machen die Vorrichtung für diesen Zweck

besonders geeignet. Darüber hinaus bieten die winzigen Dimensionen der Vorrichtung und ihrer Träger die Möglichkeit, jede mit der Vorrichtung verbundene unerwünschte Kapazität so klein zu halten, daß die Übertragungseigenschaften eines koaxialen Kreises oder eines anderen Übertragungssystems für hochfrequente Schwingungen nicht zu nachteilig durch die Nebenverbindung einer solchen Übertragungsvorrichtung beeinflußt ίο werden.

Bei der Prüfung der elektrischen Übertragungsvorrichtungen mit Verwendung von Silizium wurde gefunden, daß die Spitzenkontaktgleichrichtungscharakteristik und andere elektrische Eigenschäften sich bemerkenswert verbessern lassen, wenn man Siliziu.m mit hohem Reinheitsgrad, z. B. in der Größenordnung von wenigstens 99%, verwendet. Silizium von solcher Reinheit war jedoch auf dem Markt in Stücken von ausreichender Größe, um daraus elektrische Übertragungsvorrichtungen herzustellen, nicht verfügbar. Auf dem Markt gibt es granuliertes Silizium mit einer Reinheit von etwa 99,85%, das von der Electrometallurgical Company hergestellt wird. Verfahren zur Gewinnung solchen granulierten Siliziums sind in dem amerikanischen Patent 1386227 angegeben. N.B. Tucker von dem British National Physical Laboratory hat ein anderes Verfahren in dem Journal of Iron and Steel Institute, Bd. 15, S. 412, 1927, beschrieben.

Eimer und Amend haben auch hochgradig reines Silizium in Pulverform geliefert.

Um Körper aus hochgradig reinem Silizium von für elektrische Übertragungsvorrichtungen ausreichender Größe zu erhalten, kann man eine Charge von hochgradig reinem granuliertem oder pulverförmigem Silizium der angegebenen Art zusammenschmelzen. Wegen des hohen Schmelzpunktes (1410⁰ C ± io° C) von Silizium und seiner starken Affinität zu Sauerstoff muß das Silizium unter Bedingungen geschmolzen werden, die eine Oxydation ausschließen. Es wurde gefunden, daß die innere physikalische Struktur von so hergestellten Siliziumblöcken keineswegs homogen ist, und daß in gleicher Weise die elektrischen Charakteristiken des Materials nicht gleichförmig sind, sondern im Gegenteil von einer Zone zur anderen auffallende Veränderungen erfahren. Beispielsweise läßt ein kleiner Block des Materials, der an einer Stelle herausgeschnitten wurde, Elektronen nur in Richtung von der metallischen Spitze zum Block passieren, während ein ähnlich geformtes Stück, welches aus einer anderen Zone des Rohblocks stammt, den Durchgang der Elektronen nur in der Richtung vom Block zur metallischen Spitze zuläßt. Außerdem ist an einem Punkt zwischen den Lagen der beiden Blöcke längs einer verhältnismäßig dünnen inneren Fläche oder Grenze ein stark unterschiedliches inneres asymmetrisches Verhalten festzustellen. Der leichteren Übersicht wegen soll ein Bereich des Blocks, welcher Strom nur leicht durchläßt, wenn der Block positiv ist, als P-Zone bezeichnet werden, und ein Bereich, in welchem der Block nur dann Strom leicht durchläßt, wenn er negativ ist, mit N-Zone; der dazwischenliegende Bereich bzw. Fläche mit innerer asymmetrischer Grenze soll als Sperrzone oder Sperrfläche bezeichnet werden.

Der Erfindung gemäß werden kleine Stücke aus hochgradig reinem Silizium, die aus solchen Lagen des Rohblocks stammen, daß sie die gewünschten Charakteristiken aufweisen, als Halbleiterelemente in asymmetrischen elektrischen Ubertragungsvorrichtungen, wie z. B. in Hochfrequenzkontaktdetektoren, Modulatoren, Gleichrichtern oder Generatoren für Harmonische verwendet. Solche Detektoren haben einen um etwa 15 Dezibel geringeren Verlust als die früher bekannten üblichen Siliziumdetektoren. Es wurde festgestellt, daß sie ein hohes Widerstandsverhältnis aufweisen, chemisch beständig sind und sich gut zwecks Bildung des rückwärtigen Kontakts elektroplattieren lassen. Sie sind verhältnismäßig frei von Kontaktgeräusch und haben bei Entnahme aus der N-Zone sehr geringen spezifischen Widerstand.

Fig. ι veranschaulicht die Strukturcharakteristik eines Blocks aus hochgradig reinem Silizium, dessen Verwendung für den Bau von Übertragungsvorrichtungen mit der Erfindung empfohlen wird; Fig. 2 veranschaulicht eine Stufe bei der Fertigung einer Mehrzahl von Detektoreinheiten von rechtwinkligem Querschnitt;

Fig. 3 zeigt die Anbringung eines einzelnen Detektors auf einer Stützschraube;

Fig. 4 veranschaulicht die Formung des Kopfes der Detektoreinheit;

Fig. 5 zeigt das Gerät für die abschließende Schleifbehandlung der Kontaktflächen mehrerer Detektoreinheiten;

Fig. 6 gibt ein Schaubild von der Gleichrichtungsleistungsfähigkeit der bekannten Siliziumdetektoren;

Fig. 7, 8 und 9 geben ähnliche Schaubilder, welche die Leistungsfähigkeit eines durchschnittlichen N-Typ-Detektors bei der ersten Kontaktgabe, die entsprechende Charakteristik nach elekirischer Einstellung des Kontakts, und die Charakteristik eines P-Typ-Detektors zeigen;

Fig. 10 gibt ein Schaltbild zur Erläuterung gewisser Aspekte für die Ausführung von Ubertragungsvorrichtungen gemäß der Erfindung.

Es ist lange bekannt gewesen, daß Körper aus der Klasse von Materialien, die als Halbleiter bekannt sind, und zu denen Silizium gehört, für Kontaktdetektoren elektrischer Schwingungen verwendbar sind. Beispiele solcher Kontaktdetektoren sind in den amerikanischen Patentschriften 836 531 und 191 erläutert. In einem Artikel in »Electrical World« vom 24. November 1906, S. 1003, hat Pickard angegeben, daß nach einer Untersuchung vieler Elemente und Verbindungen reines Silizium sich als sehr befriedigender Gleichrichtungskontaktdetektor erwiesen hat. Im amerikanischen Patent 1 698.668 ist auf die Verwendung von raffiniertem Silizium hingewiesen. Es steht außer Zweifel, daß es sich bei dem handelsüblichen reinen Silizium, das Pickard zur Verfügung stand, und

bei dem raffinierten Silizium um Substanzen mit einer Reinheit von höchstens 98% und einem Mindestgehalt an Unreinem von 2% gehandelt hat. Erst viel später ist auf dem Markt das bereits besprochene feinstückige Silizium mit einem sehr hohen Reinheitsgrad in der Größenordnung von 99,5% verfügbar geworden.

Das heute erhältliche, granulierte, hochgradig reine Silizium wird durch Brechen eines Materials erzeugt, das in großen Industrieanlagen erschmolzen wird. Das von der Electrometallurgical Company gelieferte Material hat solche Körnung, daß es durch ein 30-Maschensieb hindurchfällt und von einem 80-Maschensieb zurückbehalten wird. Das gebrochene Material wird durch Behandlung mit Säuren gereinigt, bis es einen erheblich über 99% liegenden Reinheitsgrad erreicht hat. Die chemische Zusammensetzung einer typischen Probe dieses Materials ist etwa wie folgt.

ao Si 99-85

C 0.0 H)

Ee 0.031

Al 0.020

Ca 0.003

X 0.008

0 0.061

It 0.001

Mg 0.007

I' 0.011

Mn 0.002

In einigen Proben wurden bis zu 0.03¹Vo Ti und 0,004°/o Cr gefunden.

Nach einer Behandlungsart wird das granulierte Material in einen Kieselerdetiegel gefüllt und dann in hohem Vakuum oder in einer Heliumatmosphäre in einem Induktionsofen geschmolzen. Wegen der Xeigung zur Gasentwicklung und der dadurch bedingten heftigen Durchwirbelung der Masse ist es wünschenswert, den Einsatz langsam bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen. Die Verwendung flacher Tiegel mit weiter öffnung für die Aufnahme der Siliziumcharge erleichtert diese Bedingung; es kann aber auch wünschenswert sein, das Schmelzen in einer Atmosphäre aus inertem (las. wie z. B. Helium oder Wasserstoff, bei atmosphärischem Druck durchzuführen. Die Temperatur der Schmelze wird bis auf etwa 150 bis 200⁰ C über dem Schmelzpunkt getrieben, d. h. bis auf etwa 1600⁰ C. Die dem Induktionsofen zugeführte Leistung wird dann herabgesetzt, damit die Schmelze langsam abkühlen kann, und zwar nicht schneller als um 150⁰ C je Minute, bis die Masse in einer dicken Schicht an der Außenseite eine Temperatur von 1250 bis 1200⁰ C erreicht hat. Dann kann die Beheizung ganz aufhören und dem Silizium Gelegenheit zum raschen Abkühlen gegeben werden.

Der nach Fig. 1 in dem Tiegel 11 geformte und gewonnene Block unterscheidet sich von einem entsprechenden Körper aus handelsüblichen Silizium dadurch, daß er mechanisch fest und frei von Sprüngen und Blasen ist. Nach Hochglanzpolitur zeigt er eine hellere graue Farbe als das handelsübliche Material. Die physikalischen Eigenschaften des Materials verändern sich mit dem Abstand von der oberen Fläche des Blocks. Wie gezeigt, hat der zuerst abkühlende Teil nahe der oberen Fläche in dem Tiegel 11 eine in senkrechter Richtung säulenartige Struktur. Daran schließt sich eine nichtsäulenartige Formation an, die durch kleine Gaseinschlüsse und beim Aufschneiden durch einen acetylenartigen Geruch gekennzeichnet ist. Dieses nichtsäulenartige Material ist mehr gräulich und besteht aus viel kleineren Kristallen als das Material am Kopf des Blocks.

Die Reinheit dieses Materials ist sehr hoch und in der Tat wesentlich höher als diejenige von Silizium, wie es bisher in für elektrische Zwecke ausreichender Größe verfügbar war; der Gehalt an anderen Bestandteilen liegt zwischen 0,1 °/o und 0,2%. Bei der Kristallisation, die nach dem Nachlassen der Temperatur einsetzt, stellt sich eine nicht gleichmäßige Verteilung der Verunreinigungen ein, und es ist anzunehmen, dal.l dieser Unterschied in der Verunreinigungskonzeutration die physikalischen Eigenschaften des Siliziums derart beeinflußt, daß Proben, die aus verschiedenen Teilen eines Blocks herausgeschnitten sind, unterschiedliche Struktur und unterschiedliche elektrische Charakteristiken aufweisen. Es hat den Anschein, daß ein sehr kleiner Prozentsatz an Siliziumkarbid eine sehr bedeutende Rolle spielt.

Das Material des Blocks ist auch hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften nicht homogen; es besteht aus drei ziemlich gut definierten Zonen. Der obere Teil, der zuerst abkühlt, hat ein positives Elektrothermalpotential gegenüber Kupfer. Dieser P-Zonenteil reicht gemäß Fig. 1 bis zu einer zweiten Zone, die als B-Zone bezeichnet ist, was Sperrzone bedeuten soll. Der spezifische Widerstand des P-Zonenmaterials ist beträchtlich höher als der Widerstand gewöhnlichen, handelsüblichen Siliziums. In der B-Zone steigt der Widerstand sehr steil auf Werte, die das Hundertfache der Werte in dem Oberflächenbereich der P-Zone betragen. Jenseits der Sperrzone liegt die N-Zonc des Materials. In ihrem Bereich ist der durch-

; schnittliche Widerstand viel geringer als derjenige in den beiden anderen Zonen, und zwar vielleicht nur ein Drittel des durchschnittlichen Wider- n₀ Standes des P-Zonenmaterials.

Der Block ist kräftig genug, um beim Schneiden in kleine Stücke nicht zu zerbröckeln, wie das bei üblichem Silizium der Fall ist. Wenn eine kleine metallische Spitze mit der Oberfläche eines Stückes u = von dem Material in Berührung gebracht wird, so ist festzustellen, daß der Kontakt stark ausgeprägte asymmetrische Eigenschaften aufweist. Als der Widerstand der aus dem Siliziumstück und der

! metallischen Spitze bestehenden Kombination soll willkürlich die Neigung der Stromspannungskurve der Gleichrichtungsvorrichtung für 1 Volt der angelegten Spannung in Richtung des niedrigen Widerstandes bezeichnet werden. Das Verhältnis des Stromes zu demjenigen, der sich bei umge-

j kehrter Spannung ergibt, soll als Widerstandsver-

hältnis bezeichnet werden. Im allgemeinen können die Charakteristiken des Materials wie folgt angegeben werden, wobei die Widerstandsverhältnisse durch Messungen mit ι Volt aufgedrückter Spannung ermittelt sind:

	10	niedrig	Stromdurchgang bei 1 Volt	Widerstands
Impedanz			verhältnis
	mittel		bei ι V
	7 bis 30 Milliampere
15 hoch	(140 bis 33 Ohm)	5 zu 50
	2 bis 7 Milliampere
	(500 bis 140 Ohm)	IO ZU 100
unter 2 Milliampere
(mehr als 500 Ohm)	I ZU 1000

Es ist verständlich, daß, wenn auch die Sperrfläche bzw. die Sperrschicht zuweilen außerordentlieh dünn ist, sie im allgemeinen eine Anzahl praktisch parallele Grenzflächen aufweist, die eng benachbart sind. Die Sperrzone ist nicht besonders geeignet für Punktkontaktdetektoren, da ihre Wirkrichtung mit Bezug auf die Gleichrichtung unbestimmt sein kann, je nachdem mit welchem Punkt der Oberfläche die metallische Spitze Kontakt macht. Wie festgestellt wurde, ist der spezifische Widerstand des Sperrzonenmaterials hoch im Vergleich zu demjenigen der beiden anderen Zonen.

Die Endfläche des Siliziumkörpers der Gleichrichterkontakteinrichtung, an welcher der Kontakt anliegt, ist hochglanzpoliert und vergleichsweise groß. Die glatte Fläche verringert die Wirkung der verteilten Kapazität und vereinfacht die Feststellung einer wirksamen Gleichrichtungskontaktstelle bei der Funstellung des Gerätes.

Ein anderes Verfahren zur erfindungsgemäßen Tierstellung von Kristallkontaktgleichrichterdetektorein'heiten unter Verwendung von hochgradig reinem Silizium ist in den Fig. 2, 3, 4 und 5 veranschaulicht. Nach diesem Verfahren wird ein Block 36 von nahezu kubischer Form aus der N-Zone eines Rohblocks gemäß Fig. 1 herausge-

+5 schnitten. Der Block wird auf der Bodenfläche geglättet, und zwar mittels einer eisernen Polierscheibe, unter Verwendung vonAloxydkörnungooo, Aloxydkörnung 1000, optischem Pulver Nr. 95 von der Carborundem Company oder optischem Pulver Nr. M-302 von der American Optical Company. Der Block wird dann schwach geätzt in einer 25- oder 3oprozentigen heißen Lösung von Natriumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd. Die glatte geätzte Fläche des Blocks wird dann in destilliertem Wasser abgewaschen und einige Minuten lang in einer 60⁰C warmen Rhodiumphosphatlösuug mittels Platinanode bei einer für die Wasserstoffentwicklung gerade ausreichenden Stromdichte mit Rhodium nicht zu stark elektroplattiert. Tm allgemeinen beträgt dabei die Spannung etwa 3,2 Volt. Die Spannung ist jedoch häufig höher, falls der innere Widerstand des Siliziums grof.i ist. Die plattierte Fläche wird dann mit einem weichen Zinnlot überzogen unter Verwendung von Zinkchloridsäure als Flußmittel. Der Siliziumblock 36 wird dann auf einem Messingeinsatz festgeschweißt (37) oder festgelötet, der in eine Schneidmaschine eingespannt werden kann.

Bei Silizium ist es schwierig, Lötungen auszuführen oder zuverlässige elektrische Anschlüsse anzubringen. Gewöhnliches, handelsübliches Silizium ist in dieser Hinsicht besonders schwierig, und es kommt oft vor, daß man gar nicht löten kann. Bei dem hochgradig reinen Siliziummaterial kann mit Rhodium ein sehr befriedigender Verband ausgeführt werden, der nicht locker wird. Darüber hinaus erweist sich eine Rhodiumplattierung als sehr widerstandsfähig gegen Korrosion. Demgemäß ist die Verwendung von Rhodium für diesen Zweck ein bedeutsames Kennzeichen des Verfahrens zur Herstellung guter elektrischer Übertragungselemente, für welche hochgradig reines Silizium verwendet wird.

Die Verwirklichung von Detektoren aus hochgradig reinem Silizium im Sinne der Erfindung wird besser verständlich an Hand der Schaubilder in Fig. 6 bis 9. Fig. 6 ist nach den Daten für Siliziumstahlkontakte entworfen, die von Austin auf S. 135 der Zeitschrift »Bulletin of Bureau of Standards«, Jahrg. 1908, angegeben worden sind. Diese g₀ Daten wurden bei Gleichstrommessungen erhalten und zeigen, daß das System in beiden Richtungen, selbst bei Anwendung einer kleinen Spannung von relativ großen Strömen, durchflossen wird.

Die in Fig. 7, 8 und 9 gezeigten Schaubilder beruhen auf oszillographischen Aufzeichnungen, die sich als Ansprechwerte beim Anlegen von Wechselspannungen an Detektoren ergaben, die entsprechend der Erfindung ausgeführt waren.

Fig. 7 veranschaulicht die Gleichrichtungsleistungsfähigkeit einer durchschnittlichen Type-N-Einheit bei der ersten Kontaktgabe. Die Charakteristik ändert sich, wenn der Kontakt dadurch in seiner Beschaffenheit eingestellt wird, daß man einen großen Kondensator sich über den Kontakt entladen läßt. Wenn man beispielsweise einen 4-Mikrofarad-Kondensator von einer 9-Volt-Batterie aufladet und anschließend in Richtung des geringen Widerstandes entladet, und zwar durch einen Kontakt, dessen anfängliche Leistungsfähigkeit in Fig. 7 dargestellt ist, so ändert sich die Charakteristik entsprechend Fig. 8. Dieser Vorgang stabilisiert die Leistungsfähigkeit des Kontakts und verringert die Impedanz desselben.

Fig. 8 zeigt die Gleichrichtungscharakteristiken eines ausgesprochenen Type-N-Detektors aus'hochgradig reinem Silizium. Für einen Wechselstrom mit einer Spannung von 1 Volt liefert die positive Halbwelle einen beträchtlichen Strom, die negative Halbwelle dagegen einen Strom, der nahezu vernachlässigbar ist. Die größte Stromänderung für eine gegebene Änderung der elektromotorischen Kraft in dem betrachteten 1-Volt-Bereich tritt zwischen etwa 0,3 Volt und 1 Volt ein. Für aufgedrückte Wechselspannungen in der Größenordnung von 1 Volt kann der gleichgerichtete oder

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Gleichstrom, der sich ergibt, roh durch die Gleichung ausgedrückt werden / = KE'¹', worin / den gleichgerichteten Strom und E die aufgedrückte Wechselspannung bedeuten. Tatsächlich ist der Exponent von E häufig größer als V2. Die Vorrichtung, insbesondere bei Verwendung als Zerhackerfrequenzdetektor, ist daher in diesem Bereich, d. h. bis zu ι Volt, so wirkungsvoll, daß wenig gewonnen wird, im allgemeinen sogar kleine Verluste eintreten, wenn die aufgedrückte Spannung über 1 Volt hinaus vergrößert wird. Im Vergleich zu Siliziumkontaktgleichrichterdetektoren der alten Art, bei denen ein Frequenzwandlungsverlust von etwa 20 Dezibel bestanden hat, beträgt der Verlust bei einem Silizium-Type-N-Detektor gemäß der Erfindung etwa 5 Dezibel. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere geeignet als erster Detektor von schwachen ankommenden Radioschwingungen. Der vergleichsweise geringe spezifische Widerstand und die sehr große Empfindlichkeit sind äußerst vorteilhaft für solche Anwendungen. Demgemäß hat es sich bei Verwendung als Zerhackerfrequenz oder erster Detektor als wünschenswert erwiesen, mit einer aufgedrückten Spannung zu arbeiten, deren Spitzenwert 1 Volt nicht überschreitet. Die niedrige Spannung verringert auch das Detektorstromgeräusch, welches natürlich eine Funktion des durch den Detektor fließenden Stromes ist. Während in älteren Spitzenkontaktdetektoren das Stromgeräusch bis etwa 40 Dezibel oberhalb des thermischen Geräuschpegels eines gleichwertigen Widerstands betrug, kann das Stromgeräusch bei einem Type-N-Detektor nach der Erfindung weniger als 3 Dezibel über dem thermischen Geräusch ausmachen; es wurde in der Tat häufig beobachtet, daß das Stromgeräusch weniger als 1 Dezibel über dem thermischen Geräusch eines gleichwertigen Widerstands liegt. Das ist offensichtlich eine sehr beachtliche Verbesserung. Es läßt sich feststellen, daß im Hinblick auf das Detektorstromgeräusch die Ausführung des verbesserten Detektors größeren Erfolg bietet, als er mit Detektoren der Entladungsröhrentype erzielt worden ist. Noch in anderer Hinsicht ist die Möglichkeit des wirkungsvollen Betriebs bei niedrigen Spannungen vorteilhaft. Hohe aufgedrückte Spannungen haben häufig die Tendenz, auf der feinstpolierten Fläche des Kontaktgleichrichterdetektors kleine Narben oder Krater zu erzeugen. Dieser Mangel ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirksam vermieden.

Übertragungssysteme des N-Typs sind auch recht

brauchbar als Modulatoren und Erzeuger von Harmonischen. Bei solchen Anwendungen sind höhere Leistungsniveaus erwünscht als im Falle der ersten Detektorstufen. Der Umstand, daß N-Typ-Einheiten ausgewählt werden können, die über einem großen Spannungsbereich und für hohe absolute Spannungen ein sehr günstiges Widerstandsverhältnis ergeben, verleiht ihnen besondere Bedeutung für solche Verwendungsfälle. Bei der Erzeugung ungerader Harmonischer kann es erwünscht sein, dem N-Typ-Erzeuger eine einseitige Spannung gleicher Richtung aufzudrücken. Das j läßt sich dadurch verwirklichen, daß man einen Reihenkondensator mit der N-Typ-Einheit zusammenschaltet, um auf diese Weise eine selbsttätig vorbelastende elektromotorische Kraft zu entwickeln. Die Kapazität des Kondensators und die Größe des im Nebenschluß zum Kondensator bestehenden Ableitungswiderstands lassen sich leicht durch Versuch ermitteln. Es kann auch erwünscht sein, einen ähnlichen Ausweg anzuwenden, um eine kleine Vorbelastende Spannung aufzudrücken zum Empfang von Schwingungen, bei denen der Spitzenwert der Spannung weniger als 0,3 Volt beträgt, um den Detektor auf den Kniebereich der Gleichrichtungscharakteristik einzustellen.

Fig. 9 veranschaulicht die Gleichrichtungsleistungsfähigkeit eines Durchschnittsdetektors vom P-Typ. P-Typ-Detektoren mit geringem Widerstand sind brauchbar für Voltmeter und Signalempfang. Normalerweise sind sie keinen höheren Spannungen als 2 Volt ausgesetzt, aber in Sonderfällen können effektive Wechselspannungen bis 12 Volt angelegt werden. P-Typ-Detektoren haben bei niedrigen Spannungen eine Gleichrichtungscharakteristik, die etwa der Formel I = KiE² entspricht, worin / den Gleichstrom und £ die angelegte Wechselspannung bedeuten. Die Charakteristik des P-Typ-Gleichrichters ist derjenigen der alten handelsüblichen Siliziumgleichrichter ähnlich; der P-Typ-Gleichrichter besitzt aber ein stark überlegenes Widerstandsverhältnis und ist deshalb als Energieumformer wesentlich wirksamer als der beste Siliziumdetektor der alten Art. Dieser quadratische Typ der Charakteristik ist vorteilhaft für die Energiemessung, da die Ablenkung eines Gleichstrommikroamperemeters, das mit einer solchen Vorrichtung zusammengeschaltet ist, annähernd proportional der Wechselstromstärke ist und außerdem wirksam ist, um Spannung des gleichgerichteten Gleichstroms in der Größenordnung von V20V0H anzuzeigen. Durch Verwendung eines empfindlichen Galvanometers können Gleichstromspannungen von weniger als 1 Millivolt gemessen werden. Eine solche Vorrichtung kann ohne weiteres für die Kraftmessung bei einer Frequenz von 30 000 Megahertz oder einer Wellenlänge von 1 cm benutzt werden.

Im scharfen Gegensatz zu Siliziumkontaktdetektoren der alten Ausführung sind die erläuterten neuen Vorrichtungen mechanisch, chemisch und elektrisch haltbar und beständig. Wenn der Kontakt einmal eingestellt ist, bleibt er für die Dauer eines Monats wirksam, ohne einer Nachstellung zu bedürfen. Eine Anzahl noch in Benutzung befindlicher Versuchsgeräte sind sogar für viel längere Zeitspannen in Tätigkeit gehalten worden. Infolgedessen ist es nicht mehr erforderlich, feine und teure Reguliervorrichtungen für die Nachstellung des Kontakts vorzusehen, die bei den meisten früheren Kontaktdetektoren eine wesentliche Rolle spielten. Diese Detektoren sind wirksam über den gesamten Bereich bis zu Schwingungsfrequenzen über 10000 Megahertz. Ihre Leistung liegt um etwa 15 Dezibel höher als die Leistung, die mit den

wirksamsten früheren Siliziumdetektoren erzielbar war, und sie sind wesentlich freier von Stromgeräusch, das auf weniger als 3 Dezibel über dem thermischen Geräusch verringert ist.
Die Ausführung einer Gleichrichtungsübertragungsvorrichtung der erläuterten Art und ihre wirkungsvollste Bemessung sollen teilweise unter Bezugnahme auf die in Fig. 10 gezeigte Schaltung erläutert werden, welche eine ungefähre Ersatzschaltung zeigt. R 1 stellt den Widerstand dar, dem man in dem Siliziumkörper begegnet, R 2 den inneren Widerstand über den Spitzenkontakt, der bei außergewöhnlich niedrigem Wert der aufgedrückten Spannung festgestellt worden ist. R ο ist der einstellbare Widerstand, der für die Ausführung der Übertragungseinheit grundsätzliche Bedeutung hat, und der natürlich eine völlig nichtlineare Kennlinie hat. Die Kapazität C entspricht derjenigen an der Kontaktstelle zwischen der Metallspitze und der Siliziumfläche. R 2 ist der Nebenwiderstand für alle Wege in der Übertragungsvorrichtung, durch welchen Strom fließen kann, ohne den Gleichrichtungsvveg durch ifozu nehmen. Bei Verwendung für hohe Frequenzen ist es wichtig, R ι so klein wie möglich zu machen. Das läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß man den Siliziumkörper sehr dünn macht oder/und bestleitendes Material wählt. In bestimmten Anwendungsfällen wurde der Siliziumkörper in einer Dicke von nur Vioo mm hergestellt ohne Verlust oder andere Besonderheiten. Der Widerstand R 2, der für die Energieleitung einen Nebenweg zum Gleichrichtungsweg von R ο bildet, sollte so groß wie möglich gemacht werden. Das ist im wesentlichen eine Frage der Materialauswahl, der Fertigbearbeitung der Siliziumfläche, der Kontaktspitzengröße und des Kontaktspitzendrucks. Die Kapazität C ist auch von der Größe der Kontaktspitze abhängig. Wenn der Widerstand von R 1 Null wäre, könnte die Kapazität C auf sehr hohe Frequenzen abgestimmt sein; aber bei der praktischen Bemessung hat es sich am wirksamsten erwiesen, wenn der Durchmesser der Kontaktspitze verringert wird. Das bewirkt eine entsprechende unmitelbare Verringerung der Kapazität. Damit wird auch der Anschein eines Kontakts verringert, der sonst mit einem winzigen, dürftigen Gleichrichtungspunkt nahe dem für den R o-Weg benutzten Punkt bestehen könnte. Es besteht noch ein anderer praktischer Vorteil mit Bezug auf Herstellung, Kosten und Instandhaltung, da es mit einem extrem feinen

Draht, wie er aus Platin-Iridium-Legierung hergestellt werden kann, möglich ist, auf eine Abflachung der Enden des Spitzenkontaktdrahtes zu verzichten. Solche Spitzen sind aus Drähten mit 0,05 mm und 55 selbst mit 0,25 mm Durchmesser hergestellt worden. Die sehr kleinen Spitzen sind äußerst erwünscht, wenn es sich um Wellenlängen von 3 cm oder weniger handelt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrische Übertragungsvorrichtung für elektrische Wellen in der Größenordnung von 10 cm oder weniger mit einem aus Silizium bestehenden Kontakt-Gleichrichtungselement, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper eine Reinheit in der Größenordnung von 99,8% aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinheit des Siliziumkörpers über 99,85% liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper aus einer Platte eines durch Schmelzen gewonnenen Siliziumblocks herausgeschnitten ist, die in dem Block eine im wesentlichen parallele Lage zu der zuerst abkühlenden Fläche einnahm.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper aus der P-Zone eines durch Schmelzen gewonnenen Siliziumblocks herausgeschnitten ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche des Siliziumkörpers auf Hochglänz poliert ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktgleichrichtungselements für eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium mit einem Reinheitsgrad in der Größenordnung von 99,8% unter Bedingungen, die eine Verunreinigung ausschließen, geschmolzen und danach zu einem Rohblock abgekühlt wird, von welchem eine Platte oder Scheibe für die Fertigung des gewünschten Siliziumkörpers abgeschnitten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Siliziumrohblock geformter Block vor dem Schneiden kreuzweise geschlitzt wird, so daß das zwischen den Schlitzen verbleibende Silizium in eine Vielzahl von Platten geeigneter Größe zerlegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen