DE973206C

DE973206C - Regelbarer Widerstand

Info

Publication number: DE973206C
Application number: DE1949P0044275
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Rose; Eberhard Dr Spenke; Erich Dipl-Ing Waldkoetter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1949-05-31
Filing date: 1949-05-31
Publication date: 1959-12-24

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Widerstand, der ohne mechanische Zwischenglieder unmittelbar durch eine angelegte Steuerspannung, praktisch trägheitslos, regelbar ist; er kann demgemäß ähnlich wie die Verstärkerröhren für vielerlei Zwecke Anwendung finden, insbesondere überall dort, wo es darauf ankommt, mit einer geringen Steuerleistung einen Strompfad zu steuern bzw. zu regeln.

Der neue Widerstand nutzt jene Erscheinung aus, die man —· insbesondere bei Halbleitern, wie z. B. Selen — als Sperrschichtbildung kennt. Bei Halbleitern und bei verschiedenen anderen Stoffen treten, wie seit langem bekannt ist, an denjenigen Stellen, die mit einem geeigneten Metall kontaktiert sind, sogenannte Sperrschichten auf, d. h. Schichten, die in ihrem Auftreten und in der Stärke von der Größe der angelegten Spannung abhängig sind und für den Stromdurchgang einen großen Widerstand bilden. Dieses Verhalten wird z. B. bei den sogenannten Trockengleichrichtern ausgenutzt, bei denen eine dünne Halbleiterschicht auf der einen Seite sperrfrei kontaktiert ist, während sie auf der anderen Seite mit einer sperrschichtbildenden Belegung, der Sperrelektrode, versehen ist.

Es ist bekanntlich versucht, worden, bei einem derartigen Gleichrichter die Stärke des gleichzurichtenden Stromes durch eine in die Sperrschicht eingebettete Steuerelektrode zu verändern. Man ist dabei von der Erwägung ausgegangen, daß ähnlich wie bei einer Verstärkerröhre durch eine im Raum zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Steuerelektrode auch bei einer Sperrschicht die Gleichrichterwirkung der letzteren durch die eingebettete Steuerelektrode beeinflußt werden kann.

Diese Erwägung beruht jedoch auf veralteten Theorien und Vorstellungen und hat sich bisher nicht als realisierbar erwiesen.

Demgegenüber fußt die vorliegende Erfindung auf der Beobachtung, daß die Dicke der sich ausbildenden Sperrschicht von der Größe der angelegten Spannung abhängig ist. Bei wachsender Spannung dehnt sich die Schicht hohen Widerstandes, d. h. die Sperrschicht, weiter in den Halbleiter oder den sonstigen, den Sperrschichteffekt aufweisenden Körper hinein aus. Die von der Sperrschicht unberührt bleibende Schicht des Körpers wird also um die Schichtstärke der Sperrschicht kleiner. Diese Erscheinung wird bei dem. neuen regelbaren Widerstand ausgenutzt. Die Erfindung bezieht sich auf einen regelbaren Widerstand, dessen Regelung durch eine Steuerspannung erfolgt, mit einem stromführenden festen Körper, bestehend aus einem Halbleiterstoff oder einem anderen Stoff, bei dem an denjenigen Stellen, die mit einem geeigneten Material kontaktiert sind, Sperrschichten auftreten. Erfindungsgemäß ist der feste Körper außer mit den beiden stromführenden Anschlußelektroden mit einer eine Sperrschicht bildenden Elektrode so versehen, daß bei Anlegung einer Steuerspannung an diese Elektrode die Sperrschicht erweitert bzw. verengt wird und dadurch eine in ihrer Öffnungsweite von der angelegten Steuerspannung abhängige Sperrschichtblende in dem zu regelnden Strompfad entsteht.

Die erforderliche Steuerspannung zur Veränderung eines derartigen Widerstandes ist verhältnismäßig gering im Vergleich zu einem anderen Halbleiterwiderstand, bei welchem bekanntlich mittels einer Steuerelektrode, welche durch eine Isolierschicht von dem Halbleiter getrennt ist, durch Kondensatorwirkung die Ladungsträgerdichte in dem Raum zwischen zwei Hauptelektroden verringert oder erhöht werden kann; denn bei diesem bekannten Widerstand ist wegen des Potentialabfalls in dem von der Isoherschicht gebildeten Kondensatordielektrikum eine dementsprechend hohe Steuerspannung erforderlich.

Es bestehen verschiedene Möglichkeiten für den Aufbau des neuen Widerstandes. Zum Beispiel kann der eigentliche Widerstand aus einem mit zwei Anschlußelektroden versehenen Halbleiterkörper gebildet werden, während die in seinem Strompfad liegende Sperrschichtblende durch eine Stelle starker Zusammendrängung der Strombahnen und durch eine an dieser Stelle angebrachte Sperrelektrode gebildet wird. Diese Zusammendrängung der Strombahnen läßt sich durch entsprechende Formgebung des Halbleiterkörpers herbeiführen, vorzugsweise derart, daß der Halbleiterkörper eine Stelle von sehr geringer Ausdehnung in einer oder beiden Querrichtungen (bezogen auf die Richtung des zu regelnden Strompfades) aufweist und diese Stelle geringer Querausdehnung die zur Steuerung dienende Sperrelektrode enthält. Eine andere Möglichkeit der Zusammendrängung der Strombahnen besteht darin, daß der einen Anschlußelektrode eine entsprechende Form gegeben wird, daß z. B. die Anschlußelektrode als Spitze oder Schneide auf den Halbleiterkörper aufgesetzt wird. Unter Anschlußelektrode wird hier, wie auch im folgenden, die sperrfrei kontaktierende Verbindung mit dem Halbleiterkörper oder sonstigen Widerstandskörper verstanden. ^-

Zur weiteren Erläuterung sei auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind; es zeigen Fig. i, 2 und 3 je ein Ausführungsbeispiel in Vorderansicht, zum Teil im Schnitt,

Fig. 4 und 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in zwei verschiedenen Schnitten nach der Linie V-V bzw. nach der Linie IV-IV der Fig. 4 bzw. 5.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist bei 1 eine Isolierplatte, bei 2, 3 und 4 der den eigentlichen Widerstand bildende und hier aus drei Teilen zusammengesetzte Halbleiterkörper, bei 5 und 6 die beiden Anschlußelektroden und bei 7 die Sperrelektrode der Sperrschichtblende dargestellt. Die Anschlußleitungen sind in allen Figuren mit ^₁ und a₂ und die Steuerleitung mit s bezeichnet. Wie die Zeichnung erkennen läßt, besteht der Halbleiterkörper aus zwei stärkeren Stücken 2 und 4 und einem sehr dünnen Stück 3. Das Stück 3 kann in der Querausdehnung zur Zeichenebene breit sein; allgemein gesehen, wird es mindestens in einer quer zur Richtung des Strompfades verlaufenden Querrichtung sehr schmal gehalten. Der neue Widerstand wird in der Weise benutzt, daß er über seine beiden Anschlußelektroden 5 und 6 in den durch ihn zu regelnden Stromkreis gelegt wird. Die Regelung des Widerstandes erfolgt durch die an die Sperrelektrode zu legende Steuerspannung. Diese Elektrode 7 ist, wie das aus der Technik der Trockengleichrichter bekannt ist, mit dem Halbleiterkörper 3 so kontaktiert, daß sich bei Anlegung der Steuerspannung in den Halbleiterkörper 3 hinein eine Sperrschicht ausbildet. Es ist hier noch nachzuholen, daß die Elektrode 7 den Halbleiterkörper 3 mindestens zu beiden Seiten voll überdeckt oder ihn ganz umschließt, so daß also die entstehende Sperrschicht, würde sie von der Elektrode 7 aus ganz in den Körper 3 hineinwachsen, keine freie Stelle für den Stromdurchtritt ließe. Es ist somit durch den Halbleiterkörper 3 und durch die Elektrode 7, die wegen der von ihr ausgehenden Sperrschichtbildung als Sperrelektrode bezeichnet ist, eine Blende in dem durch den Halbleiterkörper 2, 3 und 4 gegebenen Strompfad zwischen den Anschlußelektroden 5 und 6 gebildet. Diese Blende beruht auf der Sperrschichtwirkung, sie ist daher als Sperrschichtblende bezeichnet; ihre Öffnungsweite ist von der angelegten Steuerspannung abhängig, denn es wurde schon oben erwähnt, daß die Sperrschicht mit der angelegten Steuerspannung wächst und daß demgemäß der Durchtrittsquerschnitt für den Strom im Takte der angelegten Steuerspannung verändert wird.

Die Aufgliederung des eigentlichen Widerstandes, d. h. hier des Halbleiterkörpers, in drei Teile dient dem Zweck, die Strombahnen an der Blendenstelle zusammenzudrängen. Diese Maßnahme beruht auf der Überlegung, daß die Stärke der entstehenden Sperrschicht an sich sehr klein ist. Es empfiehlt sich daher, an der Blendenstelle die Querausdehnung in der einen Richtung der Größenordnung der entstehenden Sperrschichtstärke anzupassen. Genauer gesagt, kommt es darauf an, in der Sperrschichtblende die Ausdehnung

des Strompfades in Richtung der »Blendenbewegung« nur auf wenige Vielfache (z. B. das Zweifache oder Dreifache) der in dem verwendeten Stoff auftretenden Sperrschichtstärke oder auf weniger zu bemessen. Wenn hier von »Blendenbewegung« gesprochen ist, so ist damit das Wachsen und Abnehmen der Sperrschicht bzw. die dadurch bestimmte Richtung gemeint.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist mit io der den

ίο eigentlichen Widerstand bildende Halbleiterkörper, mit Ii die eine, plattenförmige Anschlußelektrode, mit ioa ein fadenförmiger Fortsatz des Halbleiterkörpers ίο, mit 12 die sich an diesen fadenförmigen Fortsatz anschließende zweite Anschlußelektrode und mit 13 die den fadenförmigen Ansatz 10 α ringförmig umschließende Sperrelektrode bezeichnet. Die Sperrelektrode 13 ist aus den unten noch genannten Gründen gegen den Hauptkörper 10 isoliert, und zwar dadurch, daß er in einem gewissen Abstand vom Hauptkörper 10 den fadenförmigen Ansatz 10 α umgibt.

Die Wirkungsweise des Widerstandes nach Fig. 2 ist ganz ähnlich der der Ausführung nach Fig. 1. Die besondere Gestalt des Halbleiterkörpers 10, 10 α dient dem Zweck, eine Stelle starker Zusammendrängung der Strombahnen in dem Halbleiterkörper zu schaffen. Dies läßt sich durch den fadenförmigen Ansatz 10 α besonders leicht erreichen. Es ist hier noch nachzuholen, daß die Darstellung in der Zeichnung mit Rücksicht auf die gute Sichtbarkeit nicht maßstäblich ist. So ist z. B. die Elektrode 13 sehr stark gezeichnet. In Wirklichkeit kann sie sehr dünn sein; das gleiche gilt erst recht für den fadenförmigen Ansatz τοα. Er kann z. B. in der Weise hergestellt werden, daß ein Glasstäbchen od. dgl. in eine Schmelze von Selen oder in eine Schmelze eines anderen Halbleiterstoffes oder sonstigen geeigneten Stoffes getaucht und alsdann aus der Schmelze ein Faden gezogen wird. Durch Untersuchung des Fadens unter einem Mikroskop oder durch sonstige geeignete Methoden werden diejenigen Stellen ausgewählt, die die gewünschte Stärke aufweisen. Die so ausgewählten Fadenstücke werden alsdann für den fadenförmigen Ansatz 10 α verwendet. Die Sperrelektrode 13 kann in der Weise aufgebracht werden, daß der Faden bzw. der ausgewählte Fadenabschnitt in begrenzter Längenausdehnung in eine Metallschmelze getaucht oder mit einem geeigneten Metall im Vakuum bedampft wird.
Es ist auch möglich, abweichend von der Ausführung nach Fig. 2, den gesamten regelbaren Widerstand nur mit Hilfe eines fadenförmigen Widerstandkörpers aus geeignetem Stoff aufzubauen, indem, wie schon angegeben, auf einer begrenzten Länge das fadenförmige Stück mit einer Sperrelektrode versehen wird, während die Anschlußelektroden z. B. in der Weise aufgebracht werden, daß das fadenförmige Stück an seinen beiden Enden durch Einklemmen in Metallhalter, die dann zugleich die Anschlußelektroden bilden, sperrfrei kontaktiert wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist mit 15 der eigentliche, z. B. aus einem Halbleiterkörper bestehende Widerstand, mit 16 die eine, plattenförmige Anschlußelektrode und mit 17 die zweite, hier spitzenförmig oder schneidenförmig auf den eigentlichen Widerstandskörper 15 aufgesetzte Anschlußelektrode bezeichnet. Die Sperrelektrode 18 ist in unmittelbarer Nachbarschaft der Anschlußelektrode 17, vorzugsweise ebenfalls schneidenförmig, auf den Widerstandskörper 15 aufgesetzt. Ist die Elektrode 17 spitzenförmig ausgebildet, so wird die Sperrelektrode 18 ringförmig gestaltet und schneidenförmig in unmittelbarer Nachbarschaft der Anschlußelektrode 17 auf den Widerstandskörper 15 aufgesetzt. Die Zusammendrängung der Strombahnen ist bei der Ausführung nach Fig. 3 durch die spitzen- oder schneidenförmige Gestaltung der Anschlußelektrode 17 erreicht. Die durch die Sperrelektrode 18 ausgebildete Sperrschicht ist bei 19 angedeutet, sie verläuft so, daß wieder die Blendenwirkung in der oben erläuterten Weise entsteht.

Wird die Anschlußelektrode 17 schneidenförmig aufgesetzt, hat sie also quer zur Zeichenebene eine größere Längenausdehnung, so wird auch die Sperrelektrode quer zur Zeichenebene entsprechend lang ausgebildet und vorzugsweise ebenfalls schneidenförmig für den Widerstandskörper aufgesetzt. Verläuft quer zur Zeichenebene die Anschlußelektrode 18 bis zu den Rändern des Körpers 15, so wird auch die dann zweiteilige Sperrelektrode 18 ebenfalls bis zu den Rändern des Widerstandskörpers 15 geführt. Reicht die Elektrode 18 auf einer oder auf beiden Seiten nicht bis zum Rande des Widerstandskörpers 15, so wird sie vorzugsweise von der Sperrelektrode 18 am einen Ende bzw. an beiden Enden umschlossen.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 und 5 ist der eigentliche Widerstandskörper mit 20, die in ihm gebildete Stelle starker Zusammendrängung der Strombahnen mit 20 a, die beiden plattenförmigen Anschlußelektroden mit 21 und 22 und die folienmäßige Sperrelektrode mit 23 bezeichnet. 24 sind Isolierschichten, die die Sperrelektrode 23 an der Oberseite und Unterseite gegen den eigentlichen Widerstandskörper 20 elektrisch isolieren. Wie die Darstellung nach Fig. 5 andeutet, ist der Spalt in der Sperrelektrode 23 sehr klein gehalten, entsprechend dünn ist auch die Stelle 20 a des eigentlichen Widerstandskörpers.

Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei den oben beschriebenen Ausführungen. Die Sperrschichtblende ist durch die Sperrelektrode 23 und den Strompfad 20« gebildet. Die Spaltstärke ist entsprechend den obigen Darlegungen so gewählt, daß sie nur wenige Vielfache der Stärke der entstehenden Sperrschicht oder weniger beträgt. Die Isolierung der Sperrelektrode 23 gegen den eigentlichen Widerstandskörper 20 durch die z. B. aus Lack oder einer Papierauflage bestehenden Schichten 24 dient dazu, die Steuerenergie möglichst klein zu halten. Würde man auf diese Isolierung verzichten, so würden bei Anlegung der Steuerspannung Stellen vorhanden sein, die nicht zur Steuerwirkung, d. h. zur Bildung der Sperrschichtblende, dienen, wohl aber Strom (Sperrstrom) aus der Steuerleitung abnehmen. Es ist also darauf zu achten, daß derartige Stellen vermieden werden, und aus diesem Grunde empfiehlt es sich auch, die Sperrelektrode in der Richtung quer zur »Blendenbewegung«

möglichst klein zu halten, um auch dort nur wenig Steuerenergie abfließen zu lassen.

Die Sperrelektrode wird daher möglichst durch eine sehr dünne Metallfolie gebildet. Es war schon oben darauf hingewiesen, daß die Zeichnung es nicht ermöglicht, diese Verhältnisse richtig darzustellen, daß also die Zeichnung nicht maßstäblich zu nehmen ist. Die Stelle 20 α geringer Querausdehnung in dem eigentlichen Widerstandskörper 20 kann z. B. in der Weise gebildet werden, daß zunächst nur die untere Schicht des Halbleiterkörpers oder sonstigen Widerstandskörpers 20 auf die Elektrode 21 aufgetragen, alsdann die Sperrelektrode aufgebracht wird, nachdem man zuvor in ihr mit einem sehr feinen Messer oder sonstigen Werkzeug einen feinen Schnitt angebracht hat, und daß alsdann die Halbleitermasse oder die Masse des sonst zum Aufbau des eigentlichen Widerstandes 20 dienenden Stoffes in den durch den Schnitt gebildeten Spalt eingepreßt wird. Zu diesem Zweck wird der betreffende Stoff zuvor in den flüssigen oder plastischen Zustand übergeführt. Anschließend wird die obere Schicht des Widerstandskörpers 20 und darauf die Anschlußelektrode 22 aufgebracht.

Statt, entsprechend der Darstellung nach Fig. 4 und 5, nur einen einzigen Spalt in der Sperrelektrode 23 vorzusehen, können in ihr auch mehrere Durchtrittskanäle mit rundem oder spaltförmigem Querschnitt vorgesehen werden. Auch hierbei empfiehlt es sich, die gesamte Sperrelektrode bis auf die Innenwandungen der Durchtrittskanäle gegen den eigentlichen Widerstandskörper elektrisch zu isolieren.

Bezüglich der für die Elektroden am besten geeigneten Stoffe und bezüglich der sonstigen Herstellungsfragen kann auf die bekannte Technik der Trockengleichrichter, z. B. der Selen-Trockengleichrichter, verwiesen werden. Kurz bemerkt sei, daß bei Verwendung von Selen für den Widerstandskörper die Sperrelektrode z. B. aus einer Zinn-Cadmium-Legierung und die Anschlußelektroden z. B. aus Nickel, vernickelten Eisenplatten oder aus Nickelselenidschichten bestehen können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
i. Regelbarer Widerstand, dessen Regelung durch eine Steuerspannung erfolgt, mit einem stromführenden festen Körper, bestehend aus einem Halbleiterstoff oder einem anderen Stoff, bei dem an denjenigen Stellen, die mit einem geeigneten Metall kontaktiert sind, Sperrschichten auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Körper außer mit den beiden stromführenden Anschlußelektroden mit einer eine Sperrschicht bildenden Elektrode so versehen ist, daß bei Anlegung einer Steuerspannung an diese Elektrode die Sperrschicht erweitert bzw. verengt wird und dadurch eine in ihrer Öffnungsweite von der angelegten Steuerspannung abhängige Sperrschichtblende in dem zu regelnden Strompfad entsteht. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Widerstand aus einem mit zwei Anschlußelektroden versehenen Halbleiterkörper besteht und daß die in seinem Strompfad liegende Sperrschichtblende durch eine Stelle starker Zusammendrängung der Strombahnen und durch eine an dieser Stelle angebrachte Sperrelektrode gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammendrängung der Strombahnen durch entsprechende Formgebung des Halbleiterkörpers herbeigeführt ist, und zwar vorzugsweise derart, daß der Halbleiterkörper eine Stelle von sehr geringer Ausdehnung in einer oder beiden Querrichtungen (bezogen auf die Richtung des zu regelnden Strompfades) aufweist und diese Stelle geringer Querausdehnung die zur Steuerung dienende Sperrelektrode enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelektrode den Halbleiterkörper scheibenförmig durchsetzt, derart, daß die dadurch gebildeten beiden Halbleiterschichten nur durch eine oder mehrere Durchtrittskanäle

(z. B. mit Rundquerschnitt oder Spaltquerschnitt) der Sperrelektrode miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelektrode mit Ausnahme der Innenwandungen der Durchtrittskanäle gegen den Halbleiterkörper elektrisch isoliert ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelektrode in Richtung des zu regelnden Strompfades nach Art einer Folie sehr dünn gehalten ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammendrängung der Strombahnen durch entsprechende Formgebung der einen Anschlußelektrode herbeigeführt ist, und zwar vorzugsweise derart, daß die Anschlußelektrode als Spitze oder Schneide auf den Halbleiterkörper aufgesetzt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelektrode in unmittelbarer Nachbarschaft der Anschlußelektrode und die von dieser ausgehenden Strombahnen beeinfiussend auf den Halbleiterkörper aufgesetzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelektrode an der Aufsetzstelle schneidenförmig ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- no kennzeichnet, daß der Widerstandskörper fadenförmig ausgebildet, an seinen Enden zur Bildung der Anschlußelektroden sperrfrei kontaktiert ist und auf einer Zone seiner restlichen Mantelfläche allseitig von der Sperrelektrode umgeben ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Strompfades in der Sperrschichtblende in Richtung der »Blendenbewegung« nur wenige Vielfache (z. B. das Zweifache oder Dreifache) oder weniger der in dem verwendeten Stoff auftretenden Sperrschichtstärke beträgt.
12. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Sperrelektrode auf der Ober- und Unterseite, z. B. durch Aufbringen einer Lack-

schicht, isoliert wird und erst darauf mit dem oder den Durchtrittskanälen versehen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 339 839 ; USA.-Patentschriften Nr. 1 900 018, 1745 175, 2208455;

britische Patentschrift Nr. 500342; französische Patentschrift Nr. 786 454; Jahrbuch des Forschungsinstitutes der AEG, Berlin, 10 1936, Teil II, S. 155/170;

Zeitschrift für Physik, Bd. in, 1938, S. 399/408; C. Ramsauer, »Das freie Elektron in Physik und Technik«·, Berlin, 1940, S. 219/220; Phys. Rev., Bd. 74, 1948, S. 230/231. 15

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 814 487, 887 542.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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