DE1589157B2 - Elektrische gluehlampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Glühlampen mit einem in einem Kolben angeordneten und aus einem Halbleiter bestehenden Leuchtkörper.

Die üblichen elektrischen Glühlampen besitzen eine Wolframwendel 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 Kirchhoffschen Gesetz dem eines schwarzen Körpers nahekommt.

Man kennt nun zwei Möglichkeiten zur Steigerung der Lichtausbeute von elektrischen Glühlampen, und zwar die Erhöhung der Leuchtkörpertemperatur und den Einsatz von Selektivstrahlern.

Die erste Möglichkeit basiert darauf, daß sich das Maximum des Emissionsspektrums eines schwarzen Körpers nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz mit steigender Temperatur zu kürzereren Wellenlängen hin 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 7000° K ihrem Höchstwert. Bei einer weiteren Steigerung der Temperatur verringert sich die Lichtausbeute infolge einer raschen Zunahme des Energieanteils der Ultraviolettstrahlung. Kein Stoff bleibt bei 7000° K 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 würden nur 37% der gesamten ausgestrahlten Energie auf die sichtbare Strahlung entfallen. Es ist leicht verständlich, daß man — wenn man diesen Weg 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 3200° K erreichen.

Die zweite Möglichkeit wird dadurch verwirklicht, daß man den Leuchtkörper aus einem für die Infrarotstrahlung durchsichtigen Werkstoff herstellt. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz emittiert ein solcher Leuchtkörper keine Energie im Infrarot. Damit liegt die ganze emittierte Strahlung im sichtbaren Spektralbereich (zum Teil auch 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 zu finden.

Es sind Vorschläge bekannt, den Leuchtkörper aus einem chemisch reinen und hinreichend hitzebeständigen Halbleiter mit breiter verbotener Zone herzustellen (siehe beispielsweise die Zeitschrift für angewandte Physik, Band 16,1963, Seiten 130—143). Glühlampen mit einem solchen Leuchtkörper weisen aber eine Reihe von Nachteilen auf.

Ein stabiler Erhitzungsvorgang des Leuchtkörpers ist

z. B. bei solchen Lampen nur sehr schwer zu erreichen.

..Hierzu muß entweder der Leuchtkörper sehr dünn sein, um die Infrarotstrahlung durch freie Elektronen

40c herabzusetzen, oder die Leuchtkörpertemperatur muß sehr hoch gehalten werden, um die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Leuchtkörpers hinreichend abzuschwächen.
Da ein reiner Halbleiter mit breiter verbotener Zone bei Zimmertemperatur einen sehr hohen Widerstand hat, kann er mit Stromdurchgang nur dann erhitzt werden, wenn eine Anfangstemperatur hinreichend hoch ist. Daher ist für solche Glühlampen ein leistungsfähiger Zünder erforderlich, der den Leuchtkörper auf eine Temperatur von 1000⁰K erhitzen kann.

Hinzu kommt, daß es sehr schwierig ist, einen hinreichend großen Körper aus einem chemisch reinen hitzebständigen Halbleiter herzustellen.

Mit der Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Glühlampe mit einem Halbleiterleuchtkörper anzugeben, der eine hohe Lichtausbeute hat, sich stabil erhitzen läßt und eine Selbstzündung der Glühlampe bei Zimmertemperatur und darunterliegenden Temperaturen ermöglicht.

Dies wird bei einer Glühlampe der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der Halbleiterleuchtkörper mit Donator- bzw. Akzeptorzusätzen in Konzentrationen von 10¹⁷ bis 10²⁰cm-³ legiert ist, die in ihm Energieniveaus von nicht mehr als 0,5 eV unter dem Leitungsband bzw. oberhalb des Valenzbandes erzeugen.
Dadurch wird gewährleistet, daß der Halbleiter so

hoch mit Zusatzstoffen legiert ist, daß auch bei Temperaturen, weiche im glühenden Leuchtkörper auftreten, die Leitfähigkeit des Halbleiters immer noch durch Störstellen bestimmt wird. Als Zusatzstoffe eignen sich sowohl Akzeptor- als auch Donatorsubstanzen in Konzentrationen von 10¹⁷ bis 10²⁰Cm-³. Es ist dabei jedoch zu vermeiden, beide Arten von Zusatzstoffen gleichzeitig zuzusetzen. Für die Selbstzündung der Glühlampe, d. h. die Zündung ohne Fremdwärmequelle, bei Zimmertemperatur sind dabei solche Zusatzstoffe zu wählen, bei denen die von ihnen erzeugten Energieniveaus von dem Leitungsband (für Donatoren) oder von dem Valenzband (für Akzeptoren) nicht 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 bis etwa 0,3 eV beträgt.

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

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 20% höher gegenüber einer Halbleiterglühlampe mit üblichem Kolben.

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

Die F i g. 1,2 und 3 zeigen die Strahlungsspektren des Leuchtkörpers einer Halbleiterglühlampe bei verschiedenen Temperaturen. 35-

Zunächst sei das Wirkungsprinzip 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 und 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 enge Vertikalschraffur 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 Fi g. 1,2 und 3 beziehen sich auf zunehmend höhere Temperaturen des Leuchtkörpers. Eine Gegenüberstellung der Schaubilder zeigt, daß sich der Energieanteil der 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 Q (Fig. 1) noch im sichtbaren Gebiet liegt, steigt die im sichtbaren Spektralgebiet ausgestrahlte Leistung mit der Temperatur schneller an, als die gesamte emittierte Leistung. Noch schneller steigt aber die Leistung an, die im Ultravioletten emittiert wird. Da aber ihr Absolutbetrag bei Temperaturen unter 3000° K gering ist, spielt sie keine wesentliche Rolle. Verschiebt sich aber die Grenze der Durchsichtigkeit in den Infrarotbereich (C2 und Cz in Fig.2, 3), 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 schwarzen Körpers. Dabei kann der Höchstwert der Lichtausbeute des Halbleiterleuchtkörpers größer sein als beim schwarzen Körper.

Die Strahlung eines Halbleiters im Bereich seiner Durchsichtigkeit ist nach dem Kirchhoffschen Gesetz durch sein Absorptionsvermögen in diesem Gebiet bestimmt. Eine Zunahme der Absorption hat eine Abnahme der Lichtausbeute zur Folge. Gleichzeitig verschiebt sich der Höchstwert der Lichtausbeute zu den höheren Temperaturen hin. Es ist also günstig, das Absorptionsvermögen im Durchsichtigkeitsgebiet möglichst klein zu halten. Das bedeutet, daß der Leuchtkörper möglichst dünn gestaltet werden soll. Wie Berechnungen ergeben haben, wirkt sich die Dicke des Leuchtkörpers 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 Lichtausbeute 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 eines Halbleiterleuchtkörpers bei Zimmertemperaturen um etwa 3 eV liegt Die Lichtausbeute eines solchen Halbleiterleuchtkörpers kann bei einer optimalen Temperatur von etwa 2500⁰K sehr hoch sein.

Das hexagonale Siliziumkarbid hat eine verbotene Zone mit einer Breite, die etwa 3 eV beträgt Daher eignet es sich gut für die Herstellung von Leuchtkörpern. Nach der Breite der verbotenen Zone sind ferner Aluminiumnitrid, Thordioxid und Titandioxid geeignet

Die Erhitzung der Wolframwendel bei üblichen Glühlampen durch Stromdurchgang 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 auch Joulesche Wärme entwickelt wird, womit die Temperatur weiter steigt, was eine weitere Stromzunahme und so weiter hervorruft. Daher brennt ein strombeheizter Halbleiter im allgemeinen instabil.

Bei Halbleiterglühlampen läßt sich diese Schwierigkeit umgehen. Wie leicht einzusehen, bleibt der Halbleiter stabil, wenn bei Temperaturanstieg der Wärmeentzug schneller zunimmt als die Wärmeentwicklung. Dann kann eine Zunahme der entwickelten

Jouleschen Wärme keine Temperatursteigerung 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 Eigenschaften des Leuchtkörpers bestimmt werden), seine Störstellenleitfähigkeit beibehält. Die Berechnungen haben ergeben, daß die Störstellenkonzentration in der Größenordnung von 10¹⁷ bis 10²⁰ cm~³ liegen soll. Die Energieniveaus, die mit den Störstellen erzeugt werden, sollen, wie erwähnt, nicht weiter als etwa 0,5 eV von dem Leitungs- bzw. Valenzband abstehen. Für Siliziumkarbid ist Bor ein geeigneter Zusatzstoff. Wird eine Zündung ohne Fremdwärmequelle verlangt, so muß die Leitfähigkeit des Leuchtkörpers bei Zimmertemperatur hinreichend hoch sein. Man kann nun rechnerisch zeigen, daß eine Glühlampe, bei der ein Zusatzstoff Energieniveaus erzeugt, die etwa um 0,3 eV von den entsprechenden Bändern abstehen, schon bei einer Umgebungstemperatur von etwa 0⁰C

zündet. Beträgt dieser Abstand 0,15 eV, so zündet die Glühlampe auch bei —70⁰C. Derartige Energieniveaus sind beim Siliziumkarbid durch Legieren mit Stickstoff und Phosphor zu erreichen.

Bei einer elektrischen Lampe mit Halbleiterleuchtkörper machen 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 doppelwandigen Kolben, dessen Wandzwischenraum in der Art des Dewarschen Gefäßes evakuiert ist, die Energieverluste durch Wärmeleitung um 20 bis 40% herabzusetzen gestattet. Dies entspricht einer Steigerung der Lichtausbeute um 10 bis 20%.

Dabei sei erwähnt, daß sich die Anwendung eines solchen doppelwandigen Kolbens bei Glühlampen mit Wolframwendel nicht lohnt, da dort die durch Herabsetzung der Wärmeableitung erzielbare Steigerung der Lichtausbeute gering ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Glühlampe mit einem in einem Kolben angeordneten und aus einem Halbleiter bestehenden Leuchtkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterleuchtkörper mit Donatorzusätzen in Konzentrationen von 10¹⁷ bis 10²⁰Cm^-3 legiert ist, die in ihm Energieniveaus von nicht mehr als 0,5 eV unter dem Leitungsband erzeugen.

2. Elektrische Glühlampe mit einem in einem Kolben angeordneten und aus einem Halbleiter bestehenden Leuchtkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterleuchtkörper mit Akzeptorzusätzen in Konzentrationen von 10¹⁷ bis 1O²⁰Cm-³ 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 Halbleiterleuchtkörper mit Donatorzusätzen legiert ist, die in ihm Energieniveaus bis 0,3 eV erzeugen.

4. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterleuchtkörper mit Akzeptorzusätzen legiert ist, die in ihm Energieniveaus bis 0,3 eV erzeugen.

5. 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.

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

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