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Anordnung zur Anzeige, Messung oder Kontrolle von Temperaturen und
Wärmemengen In der Technik werden zur Temperaturmessung und zur Temperaturkontrolle
in der überwiegenden Mehrzahl Volumenthermometer, Thermoelemente oder Widerstandsflermometer
verwendet. Zur genauen Beobachtung von Temperaturen und zur Kontrolle von Wärmemengen
benötigt man empfindliche MeßEnstrumente, da die Thermoelemente eine geringe EMK
abgeben und die Widerstandsflermometer nur kleine Temperaturkoeffizienten aufweisen
und daher mit teuren Kompensationseinrichtungen gemessen werden müssen. Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Anzeige, Messung oder Kontrolle von Temperaturen und
Wärmemengen, bei der der Sättigungsstrom einer p-n-Verbindung eines Halbleiterkristalls
zur Temperaturanzeige oder I(ontrolle dient. Nach der Erfindung wird die Temperaturabhängigkei
t des Sättigungsstromes von p-n-Verbindungen slon Halbleiterkristallen ausgenutzt,
indem die p-n-Verbindung des Halbleiterkristalls durch einen konstanten oder zeitlich
veränderlichen Heizstrom in Sperr- oder Flußrichtung der p-n-Verbindung derart vorbelastet
wird, daß eine Temperaturerhöhung der p-n-Verb,indung über die Temperatur des umgebenden
Mediums eintritt.
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Der Heizstrom wird direkt von der Temperatur der p-n-Verbindung beeinflußt.
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Die bei der Anordnung nach der Erfindung auftretenden Ströme können
sehr verschieden sein. Sie hängen ab vom Widerstand der p-n-Verbindung, die ihrerseits
von der Art des Halbleiterkristalls
sowie von seinem inneren Aufbau
abhängt. Die Theorie liefert eine Temperaturabhängigkeit des Sättigungsstromes Js
einer p-n-Verbindung von der Form J2 = A. e-BIT.
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A und B sind Materialkonstanten, T bedeutet die absolute Temperatur.
Die Größe B enthält den Abstand des Valenzbandes vom Leitfähigkeitsband des Halbleiterkristalls
und definiert im wesentlichen den Temperaturarbeitsbereich, in; welchem zur Steuerung
brauchbare Ströme aufteten.
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Durch die Ausnutzung der thermischen Rückkopplung nach der Erfindung
gelingt es, sehr empfindliche Schaltanordnungen zu bauen, die ohne Schwierigkeiten
etwa 1 mA Stromänderung bei IO C Temperaturänderung an der p-n-Verbindung erreichen.
In der Abbildung ist der Zusammenhang gezeigt, der zwischen der mit einem Thermoelement
gemessenen Temperatur der p-n-Verbindung und dem Strom durch den Halbleiter besteht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel, das in der Abb. I wiedergegeben ist, wird die Übertemperatur,
die die Halbleiter-p-n-Verbindung über ihre Umgebungstemperatur annimmt, verglichen
mit dem dazu notwendigen konstanten Heizstrom, der z. B. in Sperrrichtung durch
den p-n-Kristall fließt. Aus der wiedergegebenen Kurve läßt sich die angegebene
Empfindlichkeit der Anordnung unmittelbar ablesen, Die Abb. 2 gibt die Abhängigkeit
der Übertemperatur der p-n-Verbindung von der dem p-n-Kristall zugeführten elektfischen
Leistung in Milliwatt wieder. Die Übertemperatur des p-n-Halbleiters steigt nahezu
linear mit der elektrischen Leistung an. Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung,
mit der zweckmäßig eine Temperaturmessung oder Temperaturkontrolle durchgeführt
werden kann, ist in der Abb. 3 wiedergegeben. Es besteht aus dem p-n-Verbindungshalbleiter,
der von einer Spannungsquelle lzo über einen Widerstand Ro in Sperrichtung vorgespannt
ist, und einem Meßinstrument und/oder einem Relais, welche beide mit der p-n-Verbindung
in Reihe liegen und entweder zur Strommessung und/oder zur Durchführung von Schaltmaßnahmen
dienen.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltanordnung beruht auf folgenden
Tatsachen. Es möge sich für einen gegebenen Strom eine bestimmte Temperatur der
p-n-Verbindung eingestellt haben, die oberhalb ihrer Umgebungstemperatur liegt.
Diese Temperatur stellt einen Gleichgewichtszustand her, der sich auf Grund der
zu- und abfließenden Wärmemengen am p-n-Halbleiter einstellt.
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Wird nunmehr z. B. die Kristalltemperatur erniedrigt dadurch, daß
die Umgebungstemperatur absinkt, oder dadurch, daß die Wärmeabgabe des p-n-Halbleiters
durch die Konvektion oder erhöhte Wärmeleitung vermehrt wird, so fällt der Strom
gemäß Abb. I. Gleichzeitig damit wird aher auch die Aufheizung des p-wÜberganges
vermindert, so daß eine noch weitere Erniedrigung der Temperatur des Kristalls einsetzt.
Dieses Wechselspiel setzt sich so lange fort, bis sich schließlich der ganze Prozeß
auf einer neuen Gleichgewichtstemperatur stabilisiert. Die zwischen den beiden Gleichgewichtszuständen
aufgetretene Temperaturänderung ist ein Maß des primären, das Gleichgewicht beeinflussenden.
Vorganges. Sie kann unmittelbar an dem im Stromlreis liegenden Meßinstrument abgelesen
werden. Andererseits kann die Stromänderung direkt das Relais auslösen und dadurch
den primären Vorgang in einem gewünschten Sinn beeinffussen. Erfährt die p-n-Verbindung
durch den primären Vorgang eine Temperaturerhöhung, so steigt der Strom gemäß Abb.
I, die Temperatur des Halbleiterelements steigt wieder bis zu einer Gleichgewichtstemperatur,
die gerade den Wärmezufiuß kompensiert. Damit der Einstellvorgang des Gleichgewichtszustandes
schnell erfolgt, soll die Wärmekapazität des p-n-Halbleiterkristalls sehr klein
sein. p-n-Verbindungen können in sehr kleinen Dimensionen, z. B. in einer fadenförmigen
Gestalt, beil der an den Enden des Fadens die sperrfreien Metallkontakte angebracht
sind und der p-n-Übergang in der Mitte des Fadens liegt, hergestellt werden. In
einem Ausführungsbeispiel betrug die Wärmekapazität etwa Io-3 carl/0 C.
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Ein Wert, der ohne Schwierigkeit verkleinert werden kann. Zweckmäßig
werden die Zuführungsdrähte, die dem p-n-Element die elektrische Energie zuführen,
sehr dünn gewählt, um eine schädliche Wärmeableitung über diese Zuführungsdrähte
zu vermeiden.
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Die Aiiwendungsmöglidikeiten der Anordnung nach der Erfindung sind
sehr zahlreich. Die Anofdnung kann direkt zur Messung oder Kontrolle der Temperatur
eines Mediums benutzt werden. Es läßt sich z. B. mit Hilfe der Anordnung die Temperatur
eines Thermostaten einregeln. Liegt die zu beobachtende Temperatur in der Nähe der
Zimmertemperatur oder tiefer, so kann vorzugsweise Germanium als Halbleitermaterial
verwandt werden. Für höhere Temperaturen empfiehlt es sich, Silicium zu verwenden.
Für sehr hohe Temperaturen (I000° C und höher) müssen Halbleiterstoffe gewählt wlerden,
deren B-Werte nach Gleichung (i) größer als diejenigen von Germanium und Silicium
sind.
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Andererseits kann die Empfindlichkeit der Anordnung für kleine Änderungen
im Wärmegleichgewicht der p-n-Verhindung ausgenutzt und damit Strömungen in Gasen
oder Flüssigkeiten kontrolliert werden. Der Halbleiter wird dann zweckmäßig in ein
Rohr eingeführt, durch das die zu kontrollierenden Gase oder Flüssigkeiten hindurchströmen.
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Der Heizstrom des Kristalls wird wiederum so bemessen, daß seine Temperatur
über der Normaltemperatur des strömenden Stoffes liegt. Geringste Änderungen des
strömenden Stoffes, also der Durchflußgeschwindigkeit oder der Zusammensetzung der
Stoffe, machen sich sofort in der Temperatur des p-n-Halbleiters bemerkbar und führen
durch die thermische Rückkopplung zu beträchtlichen Strom änderungen, im Halbleiterkreis.
Um chemische Einflüsse solcher Medien auf den p-n-Ubergang zu vermeiden, empfiehlt
es sich, den Halbleiterkristall mit einer wärmedurchlässigen Schutzschicht zu
überziehen.
Überdies kann auch der p-n-Halbleiterkörper mit Kühlflächen versehen werden, an
denen der Wärmeaustausch mit der Umgebung besonders schnell vor sich geht.
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Wird der p-n-Kristall in ein evakuierbares Gefäß eingebaut, so wird
der Kristall bei verschiedenem Druck der Gase im Gefäß bei konstanter Heizleistung
ganz verschiedene Temperaturen annehmen.
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Eine Temperaturmessung wird also ein direktes Maß für den Gasdruck
liefern. Umgekehrt kann ebensogut der Heizstrom, der zu einer bestimmten Temperatur
des Kristalls führt, als Maß für den Gasdruck gelten, wobei der Widerstand des Elements
zur Charakterisierung seiner Temperatur gewählt werden kann. In dieser Art läßt
sich ein sdir empfindliches und in der Handhabung einfaches Manometer schaffen,
das in seiner Wirkungsweise und in seinem~Meßbereich dem bekannten Pirani-Manometer
ähnelt.
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Wird der Kristall mit einer geschwärzten Oberfläche in innigen Wärmekontakt
gebracht, so lassen sich kleine Wärmemengen, die als Strahlungswärme auf die geschwärzte
Oberfläche auftreffen, nadiweisen. Die Anordnung kann somit auch als Bolometer benutzt
werden. Hierbei empfiehlt es sich, um eine Wärmeabgabe durch Konvektion der Leitung
an die Umgebung auszuschalten, den p-n-Kristall in ein evakuiertes, aber lichtdurchlässiges
Gefäß einzubauen. Eine Vereinigung von mehreren Kristalldementen zu einer Thermosäule
ist dann möglich, wenn alle Kristallelemente den gleichen Widerstand und die gleichen
Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen.