DE1040610B - Schutzeinrichtung gegen Spannungsstoesse fuer Fernsprechteilnehmerapparate - Google Patents

Description

Es ist bei Fernsprechsystemen üblich, zwischen einen Teilnehmerapparat und die Anschlußleitung, die diesen mit dem Ortsamt verbindet, Einrichtungen zum Schutz des Apparates gegen hohe Spannungen zu schalten, die zu Beschädigungen führen und für einen Benutzer gefährlich werden könnten. Diese hohen Spannungen beruhen vornehmlich entweder auf kurzzeitigen Ausgleichsvorgängen, bei denen hohe Spannungsstöße entstehen, z. B. wenn Blitze nahe der Anschlußleitung einschlagen, oder auf länger dauernden hohen Spannungen, die auftreten, wenn die Anschlußleitung mit nur einer Kraftleitung in Berührung kommt.

Eine derartige Schutzeinrichtung ist so gebaut, daß sie einerseits eine Spannungsregelung bewirkt, die verhindert, daß irgendwelche hohen Spannungsstöße und Ausgleichsvorgänge auf der Leitung den Apparat in gefährlichem Ausmaß erreichen; andererseits ist zusätzlich eine Schmelzsicherungseinrichtung eingebaut, die die Spannungsregeleinrichtung gegen länger dauernde hohe Spannungen schützt.

Um eine Spannungsregelung zu erhalten, die gegen hohe Spannungsstöße schützt, ist es üblich, in das Schutzgerät Kohleblöcke einzubauen, die zur Ableitung der hohen Spannungsstöße zur Erde dienen. Derartige Kohleblöcke enthalten zwei Kohlestücke, die durch einen schmalen Luftspalt getrennt sind. Dieser Luftspalt ergibt bei der gewöhnlichen Arbeitsspannung der Leitung einen hohen Widerstand gegen Erde; jedoch bewirkt ein Spannungsstoß, dessen Höhe einen vorgegebenen Pegel überschreitet, einen Durchbruch des Luftspalts zwischen den Kohles tükken, woraufhin der Widerstand des Kohleblocks gegen Erde schnell auf einen so sehr kleinen Wert absinkt, daß der Kohleblock zur Ableitung der hohen Stoßströme dient.

Schutzanordnungen dieser Art erfordern jedoch eine sehr kostspielige Unterhaltung, wenn sie sicher wirksam sein sollen. Der Luftspalt zwischen den beiden Kohlestücken ist so schmal, daß die Kohleblöcke sehr empfindlich gegen Staub und Feuchtigkeit sind, die sich in dem Luftspalt sammeln. Ferner ergeben Entladungen im Luftspalt eine Beschädigung der glatten Oberflächen der Kohlestücke und veranlassen, daß abgespaltene Kohleteilchen sich im Luftspalt in unerwünschter Weise sammeln.

Die Erfindung betrifft somit eine Schutzeinrichtung gegen Spannungsstöße, die vor dem Teilnehmerapparat wenigstens zwischen einen Leiter der Anschlußleitung und Erde geschaltet wird und bei der die Nachteile der bisher bekannten derartigen Einrichtungen dadurch vermieden sind, daß die Schutzeinrichtung aus einem Silizium-Halbleiterkörper, der eine Zwischenzone von einem Leitfähigkeitstyp Schutzeinrichtung gegen Spannungsstöße für Fernsprechteilnehmer apparate

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. März 1954

Calvin Souther Fuller, Chatham, N. J.,
und Gerald Leondus Pearson, Bernards Township, N. J.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

2

(z. B. n) und zwei Außenschichten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (/>) enthält, und einer von dem durch den Silizium-Halbleiterkörper fließenden Strom beeinflußten Schmelzsicherung besteht, die den Silizium-Halbleiterkörper bei übermäßigem Strom kurzschließt.

Die Stromleitung geschieht in elektronischen Halbleitern durch zwei Arten von Ladungsträgern, nämlieh durch Elektronen und durch Löcher. Diese Träger können im Halbleiter auf verschiedene Weise erzeugt werden, unter anderem durch Anlegen einer ausreichenden Energie, um ein Elektron von seinem halbleitenden Atom abzuspalten, wobei ein ungebundenes Elektron und ein ungebundenes Loch entstehen, ferner auch durch das Vorhandensein gewisser Elemente in der Kristallanordnung, die entweder einen Überschuß oder einen Mangel an Valenzelektronen haben. Halbleiter, bei denen die Leitung in der Hauptsache auf Elektronen beruht, werden n-Typ-Halbleiter genannt, während Halbleiter, bei denen die Leitung auf Löchern beruht, mit p-Typ-Halbleiter bezeichnet werden. Die Übergangsgebiete der Leitfähigkeit zwischen Zonen entgegengesetzten Leit-

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fähigkeitstyps in einem halbleitenden Körper sind als p-n-Verbindungen bekannt.

Bei dem erfindungsgemäßen Silizium-Halbleiterkörper handelt es sich um einen halbleitenden Körper mit zwei gegeneinandergeschalteten p-n-Verhindungen. Eine solche Verbindung ist in Flußrichtung vorgespannt, wenn an die p-Typ-Zone durch geeignete ohmsche Anschlüsse ein positives Potential angelegt wird; eine Vorspannung in Sperrichtung besteht dann, wenn ein negatives Potential an die n-Typ-Zone angelegt wird. Normalerweise zeigt eine derartige Verbindung einen hohen Widerstand für Strom in Sperrrichtung. Wenn jedoch eine an eine p-n-Verbindung angelegte Sperrspannung auf genügend große Werte erhöht wird, kommt man zu einer kritischen Durchbruchsspannung, bei der der Widerstand der Verbindung sehr klein ist. Überdies steigt jenseits dieser Durchbruchsspannung der Strom mit jedem weiteren geringen Anwachsen der Spannung steil an, so daß die Verbindung wirksam als Spannungsregler dienen kann. Die Spannung, bei der die Verbindung durchbricht, wie auch der Widerstand nach dem Durchbruch können durch den Konzentrationsgrad der Beimengung in der Übergangsschicht geregelt werden.

Bei Verwendung von zwei gegeneinandergeschalteten p-n-Verbindungen in einem Gesamtkörper ist somit gewährleistet, daß die Einrichtung einen hohen Widerstand für Spannungen jedes Vorzeichens darstellt, solange die Höhe dieser Spannungen geringer als die kritische Durchbruchsspannung ist, und einen geringen Widerstand für Spannungen jedes Vorzeichens bildet, die über die kritische Durchbruchsspannung hinausgehen. Eine solche Zusammenfassung in einem einzigen Körper bietet Vorteile in bezug auf Einfachheit und geringe Größe.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung eines Halbleiterkörpers mit zwei gegensinnigen p-n-Verbindungen werden strenge Anforderungen gestellt. Es ist erwünscht, daß die Einrichtung einen Widerstand von wenigstens 100 000 Ohm für Spannungen hat, die kleiner als eine Durchbruchsspannung von etwa 175 Volt sind, und daß die Einrichtung nach dem Durchbruch in der Lage ist, bis zu 5000 Ampere für kurze Zeiten mit einem Spannungsabfall von weniger als 500 Volt durchzulassen, d. h. daß der Widerstand auf einen Bruchteil eines Ohms sinkt. Es ist ferner wichtig, daß die Einrichtung stabil und robust ist; außerdem ist die Zuverlässigkeit von größter Bedeutung.

Durch eingehende Versuche wurde als besonders vorteilhaft eine Schutzeinrichtung der erläuterten Art mit einem Silizium-Halbleiterkörper vom p-n-p-Typ ermittelt, bei dem die p-Typ-Schichten Konzentrationen von Bor-Beimengungen aufweisen und mittels niederohmiger Kontakte an die Zuführung bzw. an Erde angeschlossen sind.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Schema der üblichen Schutzschaltung eines Fernsprechteilnehmerapparates gegen hohe Spannungen, die in der Anschlußleitung auftreten;

Fig. 2 den Querschnitt einer in vergrößertem Maßstab dargestellten Silizium-Spannungsregeleinrichtung;

Fig. 3 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung mit einer Spannungsregeleinrichtung der in Fig. 2 dargestellten Art.

In Fig. 1 bilden die beiden Leiter 11 und 12 eine Fernsprechanschlußleitung, welche mehrere Teilnehmer mit einem zentralen Telefonamt verbindet. Jeder dieser Anschlußleitung zugeordnete Teilnehmer besitzt einen Fernsprechapparat 13, der durch eine aus den beiden Leitern 14 und 15 bestehende Abzweigung mit der Leitung verbunden ist. Es ist allgemein üblich, an der Abzweigung Schutzeinrichtungen einzubauen, um den Teilnehmerapparat gegen alle gefährlichen hohen Spannungen zu schützen, die auf der Anschlußleitung auftreten. Gewöhnlich werden beide Leiter 14 und 15 gegen hohe Spannungen jeder Polarität geschützt, da ein Schutz gegen jede Möglichkeit vorgesehen werden muß, die für den Teilnehmer gefährliche hohe Spannungen am Teilnehmerapparat ergeben kann. Um eine Ableitung zur Erde von jedem der beiden Leiter 14 und 15 für alle derartigen gefährlichen hohen Spannungen zu erhalten, sind Schutzeinrichtungen 16 und 17 zwischen die Leiter 14 und 15 und ein Gebiet mit Erdpotential geschaltet.

Jede Schutzeinrichtung enthält sowohl eine Einrichtung zum Schutz gegen kurze Hochspannungsstöße als auch eine Sicherung zum Schutz dieser Einrichtung gegen langer dauernde hohe Spannungen. Fig. 3 zeigt eine Schutzeinrichtung 30 dieser Art; sie enthält einen Silizium-Halbleiterkörper 20, der normalerweise einen hohen Widerstand zwischen der Übertragungsleitung und der Erde darstellt, aber als kleiner Widerstand wirkt, wenn das Potential der Übertragungsleitung das Erdpotential um mehr als einen vorgegebenen Wert überschreitet, ferner eine Schmelzsicherung 35, die nach länger dauernden anormal hohen, durch den Silizium-Halbleiterkörper fließenden Strömen dazu dient, einen kleinen Widerstand zwischen der Leitung und der Erde einzuschalten, wobei der Silizium-Halbleiterkörper wirksam kurzgeschlossen wird.

Bevor die Schutzeinrichtung als Ganzes beschriel >en wird, erscheint es zweckmäßig, den Aufbau des im einzelnen in Fig. 2 dargestellten Silizium-Halbleiterkörpers eingehender zu beschreiben.

Der Silizium-Halbleiterkörper gemäß Fig. 2 umfaßt zwei Endzonen 21 und 22 mit p-Typ-Leitfähigkeit, welche auf einer Anreicherung mit Bor-Beimengungen beruht, ferner eine Zwischenzone 23 mit n-Typ-Leitfähigkeit.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel mit rundem Aufbau und 18 mm Durchmesser besitzt jede der p-Typ-Schichten 21 und 22 einen spezifischen Widerstand von etwa 0,001 Ohm/Zentimeter und eine Dicke von etwa 0,04 mm; die n-Typ-Zone 23 besitzt einen spezifischen Widerstand von etwa 3,0 Ohm/Zentimeter und eine Dicke von etwa 0,75 mm. Eine solche Einrichtung hat für Spannungen unterhalb der Durchbruchsspamiung von etwa 200VoIt einen Widerstand von mehreren Megohm, nach dem Durchbruch ist sie in der Lage, mehrere Mikrosekunden lang einen Strom von 5000 x\mpere bei einem Spannungsabfall von etwa 325 Volt durchzulassen. Andererseits kann durch Verwendung einer n-Typ-Zone von etwa 0,3 Ohm/Zentimeter eine Durchbruchsspannung von etwa 100 Volt erzielt werden.

Eine Ausführung dieser Art hat viele Vorteile. Die W^Tahl von Silizium als halbleitendes Körpermaterial macht es möglich, einen hohen Widerstand für den Strom in Sperrichtung vor dem Durchbruch zu erreichen. Silizium zeigt nach dem Durchbrach eine besonders flache Spannungs-Strom-Kennlinie.

Darüber hinaus ist Silizium besonders unempfindlich gegen Temperaturänderungen und ist damit in der Lage, verhältnismäßig große Wärmemengen ohne

schädliche Wirkungen abzuführen. Die Wahl von Bor als den Leitfähigheitstyp beeinflussende Beimengung macht außerordentlich kleine Widerstände nach dem Durchbruch möglich, erleichtert aber auch die Anbringung niederohmiger Endanschlüsse.

p-Typ-Schichten mit eindiffundiertem Bor können auf einem n-Typ-Körper durch ein Diffusionsverfahren gebildet werden, bei dem eine Siliziumscheibe mit n-Typ-Leitfähigkeit von einem gewünschten Wert auf eine Temperatur von 1250° C in einer Atmosphäre aus Bor-Trichlorid bei einer halben Atmosphäre Druck 17 Stunden lang erwärmt wird. Die p-Typ-Schicht wird auf der gesamten Oberfläche gebildet; werden danach die Kanten abgeschliffen, so entsteht eine p-n-p-Anordnung.

Es ist ferner wichtig, gute ohmsche Anschlüsse an den p-Typ-Schichten 21 und 22 sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die p-Typ-Schichten mit metallischen Überzügen 24 und 25 zu versehen. Es empfiehlt sich, ein Material zu wählen, das die p-Typ-Zone nicht beeinträchtigt. Rhodium ist z. B. für diesen Zweck geeignet. Die größere Leichtigkeit, mit der ein metallischer Überzug auf eine p-Typ-Schicht mit eindiffundiertem Bor elektrisch aufgebracht werden kann, um einen niederohmigen An-Schluß zu bilden, ist ein Faktor, der diese Ausführung anderen möglichen Ausführungen überlegen macht, z. B. einem zusammenhängenden Siliziumkörper mit einer Zwischenzone von p-Typ-Leitfähigkeit und n-Typ-Schichten mit eindiffundiertem Phosphor. Es ist vorteilhaft, die Kanten der p-Typ-Schichten unüberzogen zu lassen, um die Neigung zur Lichtbogenbildung auf ein Minimum zu bringen. Da überdies bei der speziellen Einrichtung, in die dieser Silizium-Halbleiterkörper eingebaut werden soll, statt einer Lötverbindung ein Druckkontakt an den Überzügen 24 und 25 angebracht wird, ist es vorteilhaft, Überzüge 26 und 27 aus einem weichen Metall, wie Zinn, dazwischen anzuordnen, mit denen ein niederohmiger Druckkontakt bequem erreicht werden kann. Da es erwünscht ist, zu vermeiden, daß der Zinnüberzug in unmittelbarem Kontakt mit den p-Typ-Schichten steht, werden die Kanten der Rhodiumüberzüge frei von Zinn gehalten. Es ist ferner wichtig, die Neigung zur Lichtbogenbildung zwischen den beiden p-Typ-Schichten auf ein Minimum zu bringen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, einen Lacküberzug 28 an den Kanten der p-Typ-Schichten und des Rhodiumüberzugs vorzusehen, um den Luftspaltwiderstand zwischen den beiden p-Typ-Schichten zu vergrößern. Auch dient ein solcher Lacküberzug vorteilhafterweise dazu, die Einrichtung gegen Feuchtigkeit abzuschließen. Wie Fig. 3 zeigt, sind die verschiedenen Teile der Einrichtung 30 in einem isolierenden Gehäuse 31 untergebracht, das ein Block aus keramischein Material sein kann und das eine zylindrische Höhlung 32 enthält. Ein Teil der Seitenwand dieser Höhlung trägt einen Messingring 33, in den eine hohle Messingschraube34 hineingeschraubt ist. Innerhalb der hohlen Messingschraube befindet sich eine Bleiperle 35, die zwischen dem Kopfteil der Schraube 34 und der oberen Fläche der im einzelnen bei Fig. 2 beschriebenen Spannungsregeleinrichtung, d. h. den Silizium-Halbleiterkörper 20, liegt. Die Einrichtung 20 wird von einem Messingträgerteil 37 gehalten, der seinerseits auf einer Messingklemme 38 am Boden der Höhlung 32 mit Hilfe einer Kadmiumbronzefeder 39 gehalten wird, die normalerweise unter Spannung steht. Die Einrichtung 20 ist gegen die Innenwand, der Schraube 34 durch ein keramisches Abstandsstück 40 isoliert. Der Trägerteil 37 ist mit einem Flanschteil versehen, der normalerweise einen Abstand vom unteren Teil der Schraube 34 hat. Der Ring 33 ist mit einem der Leiter verbunden, welche die Abzweigung von der Telefonleitung bilden. Die Klemme 38 ist mit Erde verbunden.

Unter gewöhnlichen Bedingungen führt der einzige Stromweg vom Ring 33 zur Klemme 38 über die Einrichtung 20. Schmilzt jedoch nach einem genügend lange dauernden übermäßigen Strom von die Durchbruchsspannung überschreitender Spannung im Element 20 die Bleiperle 35 infolge der Überhitzung, dann dehnt sich die unter Spannung stehende Feder aus, wodurch der Trägerteil 37 so weit gehoben wird, daß sein Flanschteil 41 einen sicheren elektrischen Kontakt mit dem unteren Teil der Schraube 34 schließt. Es entsteht dann zwischen dem Ring 33 und der Klemme 38 ein neuer Stromweg, der im Vergleich zur Einrichtung 20 einen so kleinen Widerstand hat, daß diese praktisch kurzgeschlossen wird. Demgemäß wirkt dann die ganze Schutzeinrichtung als Kurzschluß zwischen der Leitung und der Erde, wodurch der Anschlußapparat des Teilnehmers so lange außer Betrieb gesetzt wird, bis die Schutzeinrichtung ersetzt wird.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Schutzeinrichtung gegen Spannungsstöße für Fernsprechteilnehmerapparate, die vor dem Teilnehmerapparat wenigstens zwischen: einen. Leiter der Anschlußleitung und Erde geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung aus einem Silizium-Halbleiterkörper (20), der eine Zwischenzone von einem Leitfähigkeitstyp (z. B. n) und zwei Außenschichten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (p) enthält, und einer von dem durch den Silizium-Halbleiterkörper (20) fließenden Strom beeinflußten Schmelzsicherung (35) besteht, die den Silizium-Halbleiterkörper (20) bei übermäßigem Strom kurzschließt.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Halbleiterkörper (20) vom p-n-p-Typ ist, dessen p-Typ-Schichten Konzentrationen von Bor-Beimengungen aufweisen, und mittels niederohmiger Anschlüsse (24, 25, 26, 27) an die Zuführung bzw. an Erde anschaltbar ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Typ-Zone einen spezifischen Widerstand von etwa 3,0 Ohm/Zentimeter hat, die p-Typ-Zonen einen spezifischen Widerstand von etwa 0,001 Ohm/Zentimeter haben und für die niederohmigen Anschlüsse (24, 25) Rhodium verwendet ist.

4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mittlere Außenoberfläche jedes aus Rhodium bestehenden niederohmigen Anschlusses (24, 25) eine Schicht (26, 27) aus weichem leitendem Material (z. B. Zinn) aufgebracht ist, daß auf der Außenoberfläche des Silizium-Halbleiterkörpers (20) mit Ausnahme der Zinnüberzüge (26, 27) ein Lacküberzug (28) aufgebracht ist, daß der Silizium-Halbleiterkörper (20) in einen leitenden Zylinder (34) eingebaut ist und seine Zinnüberzüge mit diesem Zylinder (34) und mit einem lei-

tenden Stab (37) in Berührung stehen, daß eine Blei-Schmelzsicherung (35) durch den Stab (37) gehalten und durch eine Feder (39) gegen den leitenden Zylinder (34) gedruckt wird und daß schließlich die den Stab (37) drückende Feder (39) so angeordnet ist, daß sie nach Schmelzen

der Blei-Schmelzsicherung (35) den Silizium-Halbleiterkörper (20) kurzschließt.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 538177, 2 597 028; R. R ο s t : »Kristalloden-Technik«, 1954, S. 73.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen