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Isolatoranordnung aus Isoliermaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere für elektrische Entladungsröhren
Es ist bekannt, dass alle gebräuchlichen Isolatoren in geringem Umfang stromleitend sind und diese Leitfähigkeit bei ansteigender Betriebstemperatur zunimmt. Die Leitfähigkeit beruht dabei je nach der Art der Isolierstoffe auf Ionenleitung oder auf elektronischer Leitung. Isolierstoffe, die bei höheren Temperaturen bevorzugt elektronisch leitend werden, verhalten sich dabei ähnlich wie Halbleiter. Das bedeutet, dass bei diesen Isolierstoffe bei ansteigender Temperatur zunächst eine Störstellenleitung auftritt, die bei sehr hohen Temperaturen in die Eigenleitung übergeht.
Im Bereich der Störstellenleitung unterscheiden sich die Isolierstoffe mit bevorzugt elektronischer Leitung noch dadurch, dass die einen Elektronenleitung (n-Leitungstyp) und die andern Defekt-Elektronenleitung (p-Leitungstyp) aufweisen, Die Zunahme der Leitfähigkeit bei ansteigenden Temperaturen ist nachteilig, da insbesondere bei dünnen Isolationsschichten die Gefahr besteht, dass die Durchschlagsleitfähigkeit erreicht wird und ein Durchschlag erfolgt.
Aus der Halbleitertechnik ist es bekannt, dass an der Übergangsstelle von einer p-leitenden Schicht auf eine n-leitende Schicht ein Gleichrichtereffekt auftritt ; beim Anlegen einer Vorspannung an die n-leitende Schicht, die im Vergleich zu der an die p-leitende Schicht angelegten Vorspannung positiv ist, fliessen nämlich durch eine solche Halbleiteranordnung nur sehr kleine Ströme. Die Stromrichtung, in der nur kleine Ströme fliessen, wird dabei als Sperrichtung bezeichnet. Infolge der starken Sperrwirkung können an einen Gleichrichter, der einen p-n-Übergang aufweist, sehr hohe Spannungen angelegt werden, ohne dass ein Durchschlag erfolgt. An dem p-n-Übergang bildet sich gleichzeitig eine sehr hohe Kapazität aus, die zum Bau von Kondensatoren ausgenutzt wird.
Der Erfindung liegt die Feststellung zu Grunde, dass der aus der Halbleitertechnik bekannte Gleichrichter bzw. Sperreffekt auch bei Isolierstoffe mit bevorzugt elektronischer Leitung auftritt und dass insbesondere bei höheren Temperaturen die Isolierstoffe durchfliessenden Ströme von diesem Sperreffekt beeinflusst werden. Der Sperreffekt an der Übergangsstelle ist jedoch nur in der Sperrichtung wirksam ; in der andern Richtung hingegen werden die den Isolator durchfliessenden Ströme ungenügend herabgesetzt.
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Gemäss der Erfindung wird auch bei höheren Temperaturen von beispielsweise 1 0000C eine ausreichende Isolierung erreicht mit einer Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, die in der gewünschten Isolationsrichtung aus Isolierstoffe geschichtet ist, wobei zwei oder mehr Schichten von bei hoher Temperatur entgegengesetztem Leituagstyp abwechselnd aneinandergereiht sind.
Diese Isolatoranordnung gemäss der Erfindung weist mehrere p-n-Übergangsstellen zwischen abwechselnd aneinander gereihten n-und p-leitenden Schichten vorzugsweise polykristalliner Struktur auf, die beim Anlegen sowohl von Wechselspannungen als auch von Gleichspannungen die Isolationsströme ausreichend herabsetzen. Durch die bewusste Anordnung von mehreren in verschiedenen Richtungen sperrenden p-n-Übergangsstellen wird somit ein Isolator sehr hoher Durchschlagsfestigkeit und hohen Widerstandes erzeugt.
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Die Schichten von wechselndem Leitungstyp können dabei beispielsweise durch Dotieren der Schicht des einen Leitungstyps, die vorzugsweise aus gereinigtem AlO besteht, mit zur Dotierung geeigneten Stoffen, wie Oxyden der Erdalkalimetalle oder Spinellen der Form M2+N23+O42-, erzeugt werden.
Die Grenzflächen der aneinander stossenden n-und p-Ieitenden Schichten-die p-n-Übergangsstel- len-sind nach der Aufeinanderschichtung sehr scharf gezogen. Dies hat zur Folge, dass an diesen hohe Sperrschichtkapazitäten bestehen, die beim Anlegen von Wechselspannungen zu Blindströmen führen. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Kapazitäten wird die Isolatoranordnung daher nach dem Aneinanderreihen der Schichten bei Temperaturen gesintert, die so hoch sind, dass durch Diffusion eine merkliche Verbreiterung der Grenzflächen zu Übergangszonen erreicht wird. Vorzugsweise erfolgt die Sinterung oberhalb einer Temperatur von 1200 C und kann je nach der Art der verwendeten Isolierstoffe in einer Schutzgasatmosphäre, inLuft oder auch bei Unterdruck vor sich gehen.
Zur Beschleunigung des Diffusionsvorganges erweist es sich dabei als besonders vorteilhaft, wenn während der Sinterung an die Isolatoranordnung eine Wechselspannung gelegt wird.
Die Isolatoranordnung gemäss der Erfindung eignet sich besonders zur Erhöhung der Durchschlagsfestig- keit von Kathodenheizungen elektrischer Entladungsröhren und macht diese brummarm.
Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine mit einer Isolatoranordnung gemäss der Erfindung versehene Kathode einer elektrischen Entladungsröhre und Fig. 2 einen Schnitt durch eine abgewandelte Isolatoranordnung für die Kathode einer elektrischen Entladungsröhre.
Der aus Wolfram bestehende Heizdraht 1 der Kathode einer elektrischen Entladungsröhre ist mit einer
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durch Dotieren in eine p-leitende Schicht umgewandelt ist. Die Dotierung ist mit Hilfe des Spinells Mg AlO durchgeführt. Auch dieErdalkalimetalloxyde MgO und BeO sind jedoch zur Dotierung geeignet.
Bei Untersuchungen wurde festgestellt, dass bereits 5-10 Gew.-% MgO ausreichen, um bei gereinigtem Al2O3 infolge von Spinellbildung mindestens zu einer p-leitenden Randschicht zu gelangen. Zwischen den Isolationsschichten 3,2 und 5 befinden sich bei dieser Isolatoranordnung zwei Übergangsstellen 6, die aus- reichen, um bei beliebiger Polarität der Spannung zwischen dem Wolframheizdraht und dem Kathodenmantel geringe Querströme durch den Isolator zu erhalten.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenso wie bei dem Beispiel nach Fig. l der Wolframheizdraht 1 mit einer polykristallinen n-leitendenAl0 -Schicht 2 bedeckt, die unmittelbar am Draht in eine p-leitende Schicht 3 umgebildet ist. Die Innenwand 4 des Kathodenmantels ist jedoch mit einer n-leitenden polykristallinen MgO-Schicht 7 bedeckt. Dort, wo die n-leitende MgO-Schicht 7 die n-leitende ALO -Schicht 2 berührt, ist dabei infolge von Diffusion des MgO in das AI 0 eine p-leitende Zwischenschicht 8 entstanden. Zwischen den Isolationsschichten 3, 2,8 und 7 befinden sich bei dieser Isolatoranordnung drei Übergangsstellen, die eine noch bessere Unterdrückung von Querströmen im Isolator gewährleisten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Isolatoranordnung aus Isolationsmaterialien mit bevorzugt elektronischer Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere für elektrische Entladungsröhren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in der gewünschten Isolationsrichtung aus Isolierstoffen geschichtet ist, wobei zwei oder mehr Schichten (3,2, 5 bzw. 3, 2, 8, 7) von bei hoher Temperatur entgegengesetztem Leitungstyp abwechselnd aneinandergereiht sind.