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Halbleiteranordnung Es ist bekannt, elektrische Geräte gegen Hochspannungsstöße
oder Wanderwellen u. dgl. durch eine Gle chrichteranordnung zu schützen, die aus
einer Gegeneinanderschaltung einer Anzahl von Gleichrichterelemen.ten, insbesondere
Selenzellen, besteht. Dazu ist jedoch wegen der verhältnismäßig geringen Sperrspannung
eines Selengleichrichters bei mittleren und höheren Betriebsspannungen eine verhältnismäßig
große Anzahl von Gleichrichterelementen erforderlich.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Vereinfachung und Verbesserung
dadurch erzielt, daß die Gleichrichterano#rdnung aus Halbleitern mit innerhalb ein
und desselben Stoffes, z. B. Germanitnn oder Silizium, vorhandenen Übergang von
nnach p-Leitung besteht und in Reihe mit einer an sich bei überspannungsablei.tern
bekannten Löschfunkenstrecke liegt. Der Vorteil liegt hierbei nicht nur darin, daß
wegen der höheren Sperrspannung eine geringere Anzahl Gleichrich.terelemente erforderlich
ist, sondern auch in dem für den vorliegenden Zweck günstigeren Kennlinienverlauf
solcher Gleichrichter mit p-n- bzw. p-i-n-Übergang, zumal dadurch die Reihenschaltung
einer Löschfunkenstrecke während des -Normalbetriebes jede Spannungsbeanspruchung
von der Gleichrichteranordnung ferngehalten wird.
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Für die Festlegung der Anzahl hintereinandergeschalteter Übergänge
wird vorteilhaft von folgenden Erwägungen ausgegangen: Die Kennlinie einer Reihenschaltung
von Gle:ichrichterelemen.ten, die in Sperrichtung beansprucht werden, ist außer
in der unmittelbaren Umgebung des Spannungsnullwertes durch eine T, U-Beziehung
zwischen Strom und Spannung gegeben, die sich von der Sperrlinie J, U, eines elementarem
Gleichrichters
nur dadurch unterscheidet, daß U = n.Ue an
Stelle von U, einzusetzen ist, wobei n die Zahl der in gleicher Richtung hintereinandergeschalteten
Gleichrichterelemente bedeutet. Da sich die an einen überspannungsableiter zu stellenden
Forderungen durch Aussagen darstellen lassen, welche sich auf die relative Stromerhöhung
bei einer relativen Spannungserhöhung beziehen, lassen sich diese Forderungen dann.
erfüllen, wenn die einzelne Sperrkennlinie denselben relativen Anforderungen genügt.
Durch geeignete Wahl von n kann man dann jeden gewünschten absoluten Spannungsbereich
überdecken. Bezüglich der absoluten Stromstärken könnte man durch passende Wahl
des Leitungsquerschnitts ebenfalls grundsätzlich alle Forderungen erfüllen. Praktisch
-sind aber zu große Querschnitte aus Raum- und Preisgründen, zu kleine Querschnitte
wegen zu höher Selbsterhitzung zu vermeiden, so daß für die absoluten Stromdichten
besondere Bedingungen zu erfüllen sind, die auf etwa 3 A/cm2 für den schwach spannungsbelasteten
Zustand hinauslaufen, während bei Verdoppelung dieser Spannung etwa i5o A/cm2 kurzzeitig
die Anordnung durchfließen müssen, so daß sich der Leitwert J/U in diesem Bereich
bei Verdoppelung von U auf etwa den 25fachen Wert erhöhen muß. Das gleiche gilt
dann auch für die Einzelkennlinie: Bei Verdoppelung der zu 3 A/cm2 führenden Einzelspannung
U, muß TIU, auf den 25fachen Wert steigen; erwünscht ist natürlich ein solcher Anstieg
für eine noch kleinere relative Vergrößerung von U, Allgemein zeigen die Sperrkesmlinien
der bekannten Gleichrichter zwischen 9", = o und einer kritischen Spannung Uk, die
bei den verschiedenen Typen zwischen io-1 und io3 V variiert, einen Abfall von JIUe
statt des verlangten Anstiegs. Darüber hinaus beginnt aber ein sich zunehmend steigernder
Anstieg des Leitwertes, und der wesentliche erfinderische Gedanke besteht demgemäß
darin, durch geeignete Wahl von n und dem Gleichrichtertyp dafür zu sorgen, daß
für den jeweils nach einem Blitzdurchschlag gegebenen Fall der Schwachbelastung
durch die Betriebswechselspannung deren Scheitelwert Uem ;. Uk wird, während bei
Hochbelastung durch die Überspannung deren Maximalwert U, ' 2 Ue o auftritt
und hierbei der Leitwert auf das mindestens 25fache gestiegen sein müßte. Günstig
ist hierbei, wenn Uk.- : U, o in der Größenordnung von log V liegt,
weil dann einerseits die Zahl der verlangten Einzelgleichrichter nicht zu groß und
anderseits die Belastung der einzelnen Gleichrichter nicht zu hoch ist. Der oberhalb
Uk auftretende Leitwertanstieg ist hierbei bei Randschichtgleichrichtern (Kontakt
Halbleiter/Metall) wahrscheinlich durch erhöhte Feldemission des Metalls zu erklären,
während bei Invers.ionsgleichrichtern (p, n-Typ) die im Feld auftretende Paarbildung
(Zehnereffekt oder Sekundärionisierung) für den Anstieg verantwortlich gemacht wird.
Beide Effekte ergeben, für die Gleichrichterschicht selbst, einen sich immer weiter
steigernden Steilanstieg von JIUe; dieser kann nur dadurch verlangsamt werden, daß
sich -schließlich der Bahnwiderstand bemerkbar macht, der deshalb möglichst gering
zu halten ist.
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In Fig. i ist der relative Gang des Leitwertes für einen Gleichrichter
mittlerer Sperrspannungsfestigkeit schematisch dargestellt; Ul, ist hierbei gleich
etwa 2o V angenommen, U, o etwas größer, und der 25fache Leitwert ist bei einer
um etwa 30% höheren Spannung U" erreicht.
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Die Verwirklichung derartiger Kennlinien ist z. B. durch Germaniumgleichrichter
vom p, n-Typ möglich, wo Ulz Werte bis iooo eV realisierbar sind Gewisse Schwierigkeiten
treten hier noch hinsichtlich der Erwärmung auf. Völlige Sicherheit in dieser, Beziehung
besteht jedoch, wenn p, n-Gleichrichter - benutzt werden, deren Uk-Wert in oder
-einige hundert Volt beträgt, was durch Versteilcrung des Ganges der p- und n-Störstellen
gegenüber dem genannten Fall zu erreichen wäre. Hierbei werden zugleich die absoluten
Stromdichten größer. so daß das Erreichen von i5oA/cm2 möglich ist.
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Ein weiterer wesentlicher Schritt zur Erzielung größerer Absolutstromdichte
bei nur wenig verminderter Spannungsfestigkeit besteht darin, daß an Stelle des
Germanium-p, n-Gleichrichters andere p, n-Gleichrichter verwendet werden, deren
Substanz eine geringere Paarbildungsarbeit (Breite des verbotenen Bandes) als Ge
besitzen. Hier wäre erfindungsgemäß an die halbleitenden Verbindungen von Elementen
der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems zu denken, die eine Paarbildungsarbeit
E unterhalb des Germaniumwertes (0,76 eV) besitzen. Optimal scheinen etwa E-Werte
von o,5 bis o,6 eV in Frage zu kommen.
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Um den aus solchen Elementen bestehende Überspannungsableiter beim
Einsatz in Wechselstromnetzen für beide möglichen Stromrichtungen im Gebiet der
Sperrspannung arbeiten zu lassen, hat mass gleich viele Elemente entgegengesetzter
Polarität hintereinanderzuschalten; die jeweils in Flußrichtung beanspruchten Elemente
tragen hierbei zu der effektiven Gesanitkenilinie praktisch nichts bei.
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Bei der Hintereinanderschaltung von Gleichr ichterelemeiten der erwähnten
Art kann weiter erfindungsgemäß von der bekannten besonders raumsparenden Anordnung
Gebrauch gemacht werden, bei der, nach einem neueren Vorschlage, mit Störstellen
dotierbare Kristalle, wie Ge, Si oder die AIII-BV-Verbindungen, in einer dünnen
besonders störstellenarmen Schicht hergestellt werden und auf beiden Seiten dünne
Schichten zweier in entgegengesetztem Sinne dotierender Metalle, wie z. B. Sb und
In bei Ge-Gleichrichtern, aufgeschmolzen werden. Indem man in Wechselstromnetzen
derartige Schichten mit der gleichen Metallseite, z. B. Sb auf Sb, In auf In, aufeinanderpackt,
werden. besondere Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen unnötig.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die bei
U0@ ioo V noch notwendige Vielfach-Hintereinanderschaltung der einzelnen Sperrkenilinien,
zugleich mit der Erzeugung von
Sperrschichten entgegengesetzter
Strompolarität, dadurch verwirklicht wird, daß innerhalb desselben Kristalls p-
und n-Schichten einander in regelmäßigen Abständen von etwa ioo #t aufeinanderfolgen.
Die Störstellendichten sind hierbei in den jeweili-g e n Maxima so hoch zu
wählen, daß ihre Raumladungen innerhalb von Schichtdicken von etwa io #t Spannungsänderungen
von der Größenordnung ioo V hervorzurufen vermögen. Dazu ist eine Störstellendichte
isst von etwa io17/cm2 erforderlich, die durchaus im üblichen Rahmen liegt. Damit
würde sich etwa eine Störstellenverteilung gemäß Fig. 2 ergeben, in der die Kurve
für die NSt Störstellen mit einer ausgezogenen und die Kurve für die Pst Störstellen
mit einer gestrichelten Linie beispielsweise dargestellt ist.
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Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der Zusammenschaltung von einzelnen
p-n-Gleichrichtern besteht noch darin, daß die Strombelastung auch im hochbeanspruchten
Zustand annähernd gleichmäßig über das ganze Volumen verteilt ist, so daß keine
lokalen Überhitzungen auftreten; ferner sind die bei Einzelgleichrichtern hinzukommenden
Bahn- und Elektrodenwiderstände, deren Eigenschaften die Sperrkennlinie verschlechtern
würden, auf ein Minimum reduziert.
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Ferner ist die angegebene Periodenlänge (etwa Zoo u) und Absolutdichte
der Störstellenverteilung auch ausreichend, um einen aus der Wirkungsweise der n-p-n-Transistoren
bekannten Effekt zu vermeiden, der in der vorgeschlagenen Anordnung als Überschwemmung
der in Sperrichtung betriebenen Teilschichten durch, die aus der vorangehenden,
in Flußrichtung betriebenen Teilschichten eingeschwemmten Ladungsträger in Erscheinung
treten würde. Dieser Effekt würde: die Sperrfähigkeit der sperrenden Schichten beeinträchtigen
und ist daher erfindungsgemäß dadurch zu vermeiden, daß die Periodenlänge groß gegen
die in den Gebieten maximaler Störstellendichte maßgebenden Diffusionslängen derjenigen
Ladungsträger gemacht wird, deren Einschweinmung in die sperrenden Schichten vermieden
werden muß.
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Bei Verwendung in Gleichstromhetzen ist statt einer Gegeneinanderschaltung
von yt Gleichr ichterelementen in jeder Richtung lediglich eine Reihenschaltung
von n Gleichrichterelementen in einer Richtung erforderlich, die so geschaltet werden,
daß sie beim Ansprechen der Löschfunkenstrecke in Sperrichtung beansprucht werden.