DE1589157A1 - Elektrische Gluehlampe - Google Patents

Description

Patentanwälte Λ C Q Q Λ C "7 ZELLENTIM & LUYKEN ° '

8000 München 22 Zwclbrödtcnstr. 6

Hziceskij institut imeni N.J.Lebedeva 7. März 1967 AN SSSR L/Hu

Moskau / UdSSR _{p χ}

Elektrische Glühlampe

Die Erfindung bezieht sioh auf elektrische Glühlampen, deren Leuchtkörper aus einem Halbleiter besteht.

Die üblichen elektrischen Glühlampen besitzen eine WoIf*- ramwendel als Leuchtkörper· Da der Hauptanteil der emittierten Energie einer Wolframwendel nicht im Sichtbaren, sondern im Infraroten liegt, ist die Lichtausbeute gering. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Absorptionsvermögen des Wolframs nur sehr wenig von der Wellenlänge abhängt und daß somit das Strahlungsspektrum des glühenden Wolframs nach dem Kirchhoff'sehen Gesetz dem eines schwarzen Körpers nahek-ommt.

Man kennt nun zwei Möglichkeiten zur Steigerung der Licht** ausbeute von elektrischen Glühlampen, und zwar die Brhöln*ng der Leuchtkörpertemperatur und den Einsatz von Selektiv·- strahlen#

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Die erste Möglichkeit basiert darauf, daß sich das Maximum des Emissionsspektrums eines schwarzen Körpers naoh dem Wierischen Verschiebungsgeaetz mit steigenuer Temperatur zu kürzeren Wellenlängenhin verschiebt· Daher steigt der Energieanteil der sichtbaren Strahlung im Spektrum eines schwarzen Körpers bei nicht zu hohen Temperaturen mit seiner Erhitzung an« Die Lichtausbeute eines schwarzen Körpers erreicht bei etwa 700O⁰K ihren Höchstwert· Bei einer weiteren Steigerung der Temperatur verringert sich die Lichtausbeute infolge einer raschen Zunahme des Energieanteils der Ultraviolettstrahlung. Kein Stoff bleibt bei 700O⁰K noch fest· Auch wenn es jedoch gelingen würde, einen schwarzen Körper für diese Betriebstemperatur zu entwickeln, wäre der Gewinn nicht allzugroß, denn auch in diesem Idealfall würdennur 37% der gesamten ausgestrahlten Energie auf die sichtbare Strahlung entfallen· Es ist leicht

man
verständlich, daß*'- wenn man diesen V/eg gehen will - auf viele Schwierigkeiten trifft, die mit der Instabilität des Leuchtkörpers bei hohen Temperaturen verbunden sind. Bisher konnte man bei Glühlampen nur eine Leuchtkörpertemperatur von 320O⁰K erreichen.

Die zweite MögliohfÖceit wird dadurch verwirklicht, daß man den Leuchtkörper aus einem für die Infrarotstrahlung durchsiohtigen Werkstoff herstellt· Nach dem Kirchhoffschen Geseta emittiert ein solcher Leuchtkörper keine Energie im Infrarot· Damit liegt die ganze emittierte Strahlung im

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s-iolitbaren Spektralbereich, (zum Teil aucn im Ultraviolett), Die Lichtausbeute einer Glühlampe mit einem solchen Leuchtkörper ist sehr hoch. Die Schwierigkeit ist nur, einen geeigneten Werkstoff für die Herstellung solcher Leuchtkörper 2u finden.

Bs sinu Vorschläge bekannt, den Leuuntkörper aus einem chemisch reinen unc hinreichend hitzebestänai^en Halbleiter mit breiter verbotener Zone herzusteller, (siehe beispielsweise die Zeitschrift "Optika i Spektroskop!Ja", Band IJ₉ Seite 612, 1962, Moskau). GU-Unlampen mit einem solchen Leuchtkörper weisen aber eine R^ihu von Nachteilen auf.

Bin stabiler Erhitzungsvorgang des Leuehlkörpers ist z.B. bei solchen Lampen nur senr schwer zu erreicnen. Hierzu muß entweder uer Leuchtkörper sehr α inn seJ.n, um die Infrarotstrahlung durch freie Elektronen herabzusetzen, oder die Leuchtkörperte-aperatur muß sehr hoch _::e::-3,~zen werden, um die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Leuchtkörpers- hinreichend abzuscnv.acnen·

Da ein reiner Halbleiter mit breiter verboüeuer Zone bei Zimmertemperatur einen sehr hohen Widers tai-c. hat, kann er mit Stromdurchr.aiig nur uaiin erniest v.erde;:, /enii eine AniantstemperatUi^ hinreichend hoch ist« Daher ist für solche Glühlampen ein leistungsfähiger Zunder erforderlich, der

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_ta 4 -

den Leuchtkörper auf eine Temperatur von 1000⁰K erhitzen kann_e Hi,^nzu kommt, daß es sehr schwierig ist, einen hinreichend großen Körper aus einem chemisch reinen hitzebeständigen Halbleiter herzustellen«

Iüt der Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Glühlampe mit eiiiem Halbleiterleuchtkörper anzugeben, der eine hohe Lichtausbeute hat, sich stabil erhitzen laßt und eine Selbstzündung der Glühlampe bei Zimmertemperatur unäJdarunt erliegend en Temperaturen ermöglicht·

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Leuchtkörper aus einem Halbleiter hergestellt wird, v/elcher so noch mit Zusatzstoffen legiert ist, daß auch bei Temperaturen, welche im glühenden Leuchtkörper auftreten, die Leitfähigkeit des Haibleiters immer noch durch Störstellen bestimmt wird. Als Zusatzstoffe eignen sich sowohl Akzeptor-

17 als auch Ilonatorsubstanzen in Konzentrationen von 10 ' bis 10 cm *"*· Bs ist jedooh zu vermeiden, beide Arten von Zusatzstoffen gleichzeitig zuzusetzen»

»'ird eine Selbstzündung der Glühlampe, Geh. die Zündung ohne Fremdwärmequelle, bei Zimmertemperatur erwünscht, so sind solche Zusatzstoffe zu w&nlen, bei denen die von ihnen erzeugten Energieniveaus von dem Leitungsband (für Donatoren)

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oder von dem Valenzband (für Akzeptoren) nioht mehr als um 0,5 eV abstehen. Ist eine Selbstzündung bei niedrigeren Temperaturen erforderlich, so können Beimengungen zugegeben werden, bei denen dieser Abstand noch weniger und zwar bip etwa 0,3 eV beträgt.

Als Werkstoff für die Herstellung des Leuchtkörpers eignet sich insbesondere legiertes Siliziumkarbid. Werden als Legier ungszusätze Stickstoff und Phosphor genommen, so wird die Glühlampe selbstzündend. Zur Legierung eignen sich weiter Aluminium und Bor_e

Um EnergieVerluste durch Wärmeleitung zu verringern, kann der Kolben doppelwandig nach Art der Dewargefäße ausgeführt werden. Die Lichtausbeute hängt nämlich im starken Maße vom Werkstoff des Kolbens ab. Beim Glas ist sie um 10% und beim Quarz um 2O°/o höher gegenüber einer Halbleiterglühlampe mit üblichem Kolben»

Die Erfindung wird nachstehend anhand von einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert·

Die Pig. 1,2 und 3 zeigen die Strahlungsspektren des Leuchtkörpers einer Haibleiterglühlampe bei verschiedenen Temperaturen·

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Zunächst sei das 7/irkungsprinzip der Halbleiterglühlampen betrachtet, welches davon unabhängig ist, ob der Leuchtkörper aus einem reinen oder legierten Halbleiter besteht.

In Fig. 1, 2 und 3 ist auf der Abszissenachse die Quantenenergie hv und auf der Ordinatenachse die Strahlungsleistung E in willkürlichen Einheiten aufgetragen· Die voll ausgezogene Linie zeigt das LeuchtSpektrum eines Halbleiterleuchtkörpers una die gestrichelte das Spektrum eines schwarzen Strahlers. In dem Infrarotbereich A ist das Spektrum des Halbleiterleuchtkörpers durch weite Schrägschraffur und im sichtbaren Bereich B durch en^e Vertikalschrafi'ur gekennzeichnet.

Die Schaubilder lassen deutlich erkennen, daß die von dem Halbleiterleuchtkörper emittierte energie im Infraroten viel geringer ist als die eines schwarzen Körpers, da der Halbleiter in diesem Bereich durchsichtig ist. Die iig. 1, 2 und 3 beziehen sich auf zunehmend höhere Tenrperaturen des Leuchtkörpers* "Eine Gegenüberstellung der SGhaubilder zeigt, daß sich der Energieanteil aer sichtbaren Strahlung mit steigender Temperatur stets ändert, wobei die Breite des Durchsichtigkeitsbereiches des Halbleiters abnimmt, was auf die Verringerung der Breite der verbotenen Zone mit zunehmender Temperatur zurückzuführen ist. Solange die Kurzwellengrenze der Durchsichtigkeit G-, (Fig. 1) noch im

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sichtbaren Gebiet liegt, steigt die im sicntbaren Spektralgebiet ausgestrahlte Leistung mit der Temperatur schnei· ler an, ils die gesamte emittierte Leistung. Hoch schneller steigt aber die Leistung an, die im Ultravioletten emittiert wird. Da aber ihr Absolutbetrag boi Temperaturen unter 3OCX)⁰K gering ist, spielt sie keine wesentliche Rolle» Verschiebt sich aber die Grenze der Durchsichtigkeit in den Infrarot bereich (C₀ und C-, in Fi;;. 2, 5), so steigt der Anteil an Infrarotstrahlung rasch an* Dies führt bald zu einer Abnahme der Lichtausbeute des Leuchtkörpers. Daher liegt die optimale Betriebstemperatur eines Leuchtkörpers aus einem Halbleiter unterhalb der optimalen eines schwaraen Körpers. Dabei kann der Höcnstv/crt der Lichtausbeute des Halbloiterleuchtkörpers größer sein als beim schwätzen Körper·

Die Strahlung eines Halbleiters im Bereicn seiner Durchsichtigkeit 1st nach dem Kirciihorfijchen Sesetz durch sein Absorptionsvermö :en in diesem uebiet bestimmt. Eine Zunahme der Absorption hat eine Abnanme eier Licht aus beute zur Folge· Gleichzeitig verscniebt sicn der Höchstwert cer Lichtausbeute zu den höheren Temperaturen hin. Es ist also günstig, dan Absorptionsvermögen im Du chsiehtigkeitsgebiet möglichst klein zu halten. Das bedeutet, dai der Leuchtkörper mc^lichst dann gestaltet werden soll. '«Vie Berechnungen ergeben haben, wirkt sich die Dicke des Leucht-

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körpers mit Erweiterung des Durchsichtigkeitsbereiches zu den längeren Wellenlängen hin immer stärker aus· Andererseits wird die Absorptionsfähigkeit des Leuchtkörpers auch durch die Konzentration und Zusammensetzung der Zusatzstoffe im Halbleiter bestimmt· Man kann nun rechnerisch nachweisen, daß die Tiefe der Energieniveaus, die durch die Donatoren oder Akzeptoren erzeugt wurden, von dem entsprechenden Elektronenband nicht mehr als um 0,5 eV abstehen soll, da sonst der im Infrarot emittierte Energieanteil übermäßig ansteigt.

Die Berechnungen ergeben weiter, daß sich das Maximum der' Liohtausbeute des Leuchtkörpers mit zunehmender Breite der verbotenen Zone des Halbleiters in Richtung zu den höheren Temperaturen verschiebt und immer enger wird, wobei der Höchstwert der Lichtausbeute größer wird. Eine Temperatursteigerung ist jedoch durch die Hitzebeständigkeit des Halbleiters, aus dem der Leuchtkörper hergestellt ist, eine Grenze gesetzt. Aus diesem Grunde scheiden Halbleiter mit übermäßig breiter verbotener Zone aus. Es hat sich gezeigt, daß die optimale Breite der verbotenen Zone einee Halblei» terleuchtkörpers bei Zimmertemperaturen um etwa 3 eV liegt·

solchen Halbleiter- ,

Die Lichtausbeute eines "leuchtkörpers kannjbei einer optimalen Temperatur von etwa 250O⁰K sehr hoch sein·

Das hexagonale Siliziumkarbid hat eine verbotene Zone mit einer. Breite, die etwa 3 β V beträgt. Daher eignet es sioh

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gut für die Herstellung von Leuchtkörper^ Nach der Breite der verbotenen Zone sind ferner Aluminiumnitrid, Thordioxid und Titandioxid geeignet.

Die Erhitzung der Wolframwendel bei üblichen Glühlampen durch Stromdurohgang stellt kein Problem dar· Anders ist es bei einer Platte aus einem Halbleiter, Mit steigender Temperatur nimmt nämlich der Halbleiterwiderstand ab· Dadurch nimmt der die Platte durchfließende Strom zu, so daß auoh Joule'sehe Wärme entwickelt wird, womit die Temperatur weiter steigt, was eine weitere Stromzunahme und so wei* ter hervorruft· Daher brennt ein strombeheizter Halbleiter im allgemeinen instabil·

Bei Haibleiterglühlampen läßt sich diese Schwierigkeit umgehen· Wie leicht einzusehen, bleibt der Halbleiter stabil, wenn bei Temperaturanstieg der Färmeentzug schneller zunimmt als die Färmeentwicklung· Dann kann eine Zunahme der entwickelten Joule'sehen Wärme keine Temperatureteigerung mehr verursachen, da dies die steigenden Wärmeverluste verhindert· Dies läßt sich durch Legieren oder Dotieren des Halbleiters mit Zusatzstoffen in Konzentrationen erreichen, die dazu ausreichen, daß der Halbleiter bei Betriebstemperaturen (die, wie erwähnt, durch die optischen Bigensohaften des Leuchtkörpers bestimmt! werden), seine Störstellenleitfähigkeit beibehält· Die 'reohnungen haben ergeben, daß die Störstellelconzentration in der Größenordnung von

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...10

10 " bis 10 qhT^ 1-legen soll. Die Energieniveaus, die mit den Störstellen erzeugt werden, sollen, wie erwähnt, nicht weiter als etwa 0,5 eV von dem Leitungs- bzw· Valenz-

ein

band abstehen· für Siliziumkarbid ist Bor »'geeigneter Zusatzstoff· Wird eine Zündung ohne Iremdwärmequelle verlangt, so muß die Leitfähigkeit des Leuchtkörpers bei Zimmertemperatur hinreichend hoch sein· Man kann nun rechnerisch zeigen, daß eine Glühlampe, bei der ein Zusatzstoff Bnergieniveaus erzeugt, die etwa um 0,3 eV von den entsprechenden Bändern abstehen, schon bei einer Umgebungstemperatur von etwa O₁ ⁰C zündet. Beträgt dieser Abstand 0,15 eV, so zündet die Glühlampe auch bei -70 0· Derartige TSnergieniweaus sind beim Siliziumkarbid durch Legieren mit Stickstoff und Phosphor zu erreichen·

Bei einer elektrischen Lampe mit Halbleiterleuchtkörper maohen die EnergieVerluste durch Wärmeleitung etwa die Hälfte der gesamten zugeführten Energie aus. Daher ist die Herabsetzung der durch Wärmeleitung bedingten Verluste eine Reserve für eine weitere Steigerung der Lichtausbeute. Man kann nun rechnerisch zeigen, daß die Anordnung des Leuchtkörpers in einem doppe lwandigen Kolben, dessen Wandzwischenraum in der Art des Dewar'schen Gefäßes evakuiert is't, die Energie Verluste durch Wärmeleitung um 20 bis 40 % herabzusetzen gestattet. Dies entspricht einer Steigerung der Liohtausbeute um 10 bis 20 %·

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Dabei sei erwähnt, daß sich die Anwendung eines solchen floppelwandigen Kolbens bei Glühlampen mit Wolframwendel nicht lohnt, da dort die durch Herabsetsung der Wärmeablei» tung ersielbare Steigerung der Lichtausbeute gering ist·

OR!G!NAt INSPECTED 009815/0949

Claims (1)

1. zelle;-:;ΐ.--ί 6 luyken ₇. _März 1967

   8000 München 22

   Zweibrückenstr, 6 Tj/Hu

   p 12707

   Patentansprüche

   Μ») Elektrische Glühlampe mit einem in einem Kolben ange>ordneten und aus einem Halbleiter bestehenden Leuchtkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterleucntkörper mit Donatorzusätzen in Konsentrationen von 10 ' bis IO cm*"-' legiert ist, die in ihn Energieniveaus von nicht weniger als 0,5 eV unter dem Leitungsband erzeugen_o

   2. Elektrische Glühlampe mit einem Halbleiterleuchtkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbieiterleuchtkörper

   17 mit Akzeptorzusätzen in Konzentrationen von 10 ' bis 10 cm"⁵ legiert ist, die in ihm Energieniveaus von nicht mehr als 0,5 eV oberhalb des Valenzbandes erzeugen.

   3· Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbieiterleuchtkörper mit Donatorzusätzen legiert ist, die in ihm Energieniveaus bis 0,3 eV erzeugen_e

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   Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch ge-. kennzeichnet, daß der Halbleiterleuchtkörper mit Akzeptorzusätzen legiert ist, die in ihm Energien!veaus bis 0,5 eV erzeugen©

   5β Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper aus mit Stickstoff und/ oder Phosphor legiertem Siliziumkarbid hergestellt ist·

   6· Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper aus mit Aluminium legiertem Siliziumkarbid hergestellt ist.

   Elektrische Glühlampe nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper aus mit Bor legiertem Siliziumkarbid hergestellt ist,

   8. Elektrische Glühlampe nach Anspruoh 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben nach Art der Dewarschen Gefäße doppelwandig ausgebildet ist·

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