DE818654C - Punktkontaktsystem fuer Kristalldioden - Google Patents

Description

Die Herstellung von Kristalldioden und ihre Einstellung stoßen auf große Schwierigkeiten, da deren wesentliche Bestandteile von ganz außerordentlicher Feinheit einen Punktkontakt bei einem ganz bestimmten Drucke gewährleisten sollen. Die schwierigsten Probleme ergeben sich bei der den Kristall berührenden Nadel und deren Verbindung mit der Zuleitungselektrode.
Die bisher üblichen Nadelformen sind in den Abb. i,

ίο 2, 3 und 4 der Zeichnung dargestellt. Die Abb. 5 veranschaulicht ein der Kristalldiode laut Abb. 1 entsprechendes Ersatzschaltbild. Bei allen bisher üblichen Ausführungen verwendet man die Wirkung einer Feder (s. z. B. Abb. 1), um den erforderlichen Druck der Nadelspitze auf den Kristall zu erzielen, der zwecks Erreichung eines auch bei mechanischen Erschütterungen unveränderlichen Kontakts unentbehrlich ist. Die Masse des Federkörpers soll womöglich klein sein, um die Möglichkeit einer Ver-

ao rückung des Berührungspunktes auf der Kristalloberfläche oder sogar einer Unterbrechung der Berührung durch Abrücken der Spitze von der Oberfläche infolge der Wirkungen der Massenkräfte nach Tunlichkeit zu verringern.

Um eine gewisse Lagebeständigkeit des Berührungs- »5 punktes in der Mitte der Kristalloberfläche zu gewährleisten, pflegte man ab und zu die Feder um einen Stift oder Führungsdorn zu winden, wie es in der Abb. 2 angedeutet ist.

Zum Zwecke der Verhinderung einer Verformung der Nadelspitzen unter der Druckwirkung muß man zur Nadelherstellung einen besonders widerstandsfähigen Werkstoff mit hohem Koeffizienten der Elastizitätsgrenze α wählen. Aus diesem Grunde hat man die Nadeln oft aus Platin oder Platinlegierungen, z. B. aus Platinberyllium, Platiniridium oder Platingold, hergestellt.

Während die äußere Hülle der Diode, z. B. eine Steatitröhre, und die Stromzuführungselektrode auf sehr einfache Art in großen Serien herzustellen sind,

stößt man aus gut verständlichen Gründen bei der Nadelerzeugung auf Schwierigkeiten. Man muß sich darüber klar sein, daß man die kleinen Federchen mit drei oder vier Windungen von einem Durchmesser von 0,085 cm bei Drahtdicken von 0,01 cm nicht anders als durch Handarbeit herzustellen vermag.

Vom elektrischen Standpunkte aus mußte man

jedoch feststellen, daß die Induktanz der Nadel, sofern sie die in den Abb. 1 und 2 dargestellten Formen aufweist, bei sehr kleinen Wellenlängen unangenehme Störungen bedingt. Aus diesem Grunde wurde die Länge der Nadel herabgesetzt, und so entstanden Nadeln, die für Empfänger bestimmt sind, welche im Bereich der Zentimeterwellen Anwendung finden und die die in den Abb. 3 und 4 angedeuteten Gestalten annehmen. Die plektrischen Vorteile wurden natürlich auf Kosten der Nachgiebigkeit erzielt.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in einer nachgiebigen Anordnung mit einem einzigen

ao Berührungspunkt, die von den bisher üblichen technischen Ausführungen vollständig abweicht· und gestattet, in großen Serien hergestellt zu werden, wobei eine ganz besondere Beständigkeit der mechanischen Charakteristiken erzielt wird, während die durch Induktanz bedingten elektrischen Verluste vollständig ausgeschieden werden, welche Verluste die Verwendung der nach den bisher üblichen Grundsätzen hergestellten Dioden im Gebiete sehr hoher Frequenzen hemmten.

Erfindungsgemäß besteht das die Punktberührung gewährleistende Organ im Wesen aus einer Stufenkapsel bzw. einem Stufenbecherchen, dessen ideale Rotationsumhüllungsfläche die Gestalt eines sehr stumpfen Kegels aufweist. Diese Kapsel bzw. dieses Becherchen kann selbstverständlich eine kleinere oder größere Anzahl von aufeinanderfolgenden Stufen aufweisen, und zwar je nach gewünschter größerer oder geringerer Nachgiebigkeit oder Elastizität.

In den Abb. 6 bis 10 der Zeichnung ist ein den Erfindungsumfang keinesfalls begrenzendes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.

Die Abb. 6 gibt einen Längsschnitt der Anordnung wieder.

Die Abb. 7 zeigt im vergrößerten Maßstab oben einen Axialschnitt durch ein Becherchen im Sinne der Erfindung, und unten die entsprechende Draufsicht.
Die Abb. 8 zeigt die Stufenkapsel in einer ihrer Lagen im verformten Zustand.

Die Abb. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein ausgeschnittenes Blättchen, aus dem man durch Drücken oder Prägen die Kontaktkapsel oder das Kontaktbecherchen erzeugen kann.

Die Abb. 10 veranschaulicht einen einer Kristalldiode gemäß der Erfindung entsprechenden Gleichwertsstromkreis bzw. ein schematisches Ersatzschaltbild.
Das Wesen des Aufbaues des erfindungsgemäßen

Becherchens ist aus der Abb. 7 klar ersichtlich. Durch Ausschneiden und Drücken stellt man eine kleine Stufenkapsel 1 bzw. 2 her, welche nachher elektrisch auf das Ende einer Stromzuleitungselektrode 3 aufgeschweißt wird. Es genügt dann z. B. nach der Befestigung des Becherchens 1 am Ende der Elektrode 3, dortselbst im Mittelpunkt der letzten Stufe nach einem geeigneten Verfahren eine überaus feine Spitze 4 anzubringen.

Diese Spitze 4 kann entweder ganz selbständig vorher erzeugt und nachher im Mittelpunkt der letzten Stufe aufgeschweißt werden oder man bringt im Mittelpunkte der letzten Stufe ein geeignetes Metallklümpchen an, aus dem man auf eine entsprechende Art nachher einen sehr fein gespitzten Kegel formt. Derart erhält man ein Punktberührungsorgan, das die nachstehenden Vorteile hat. Man hat die Möglichkeit, solche Organe durch Verfahren herzustellen, die sich zur Massenerzeugung eignen; es wird eine selbsttätige und stetige Zentrierung in bezug auf den Kristall erreicht; die Vorrichtung ist gegen mechanische Stöße überaus unempfindlich; die Induktanz ist minimal, so daß die Eigenfrequenz des Empfängers gewaltig gesteigert wird.

Um die Erfindung verständlicher zu machen, wird im folgenden ein Vergleich der Elastizität eines derartigen Punktberührungsorgans mit derjenigen der bisher zwecks Erzielung der gewünschten Punktberührungen verwendeten Organe vorgenommen.

Im Falle der Verwendung des bekannten zylindrischen Federchens laut Abb. 1 zwecks Erzielens der Berührung, wird die Größe der Verformung nach folgender Gleichung berechnet:

dp =

64 η r^z

(i)

wo: dp die Größe der Verformung in Zentimeter, η die Zahl der Windungen, r den Windungshalbmesser, d die Drahtdicke in Zentimeter, P den ausgeübten Gesamtdruck in Kilogramm, G den Drehungsfestigkeitsmodul in kg/cm² bedeutet.

Will man die Berechnung für eine Platinfeder mit folgenden Merkmalen durchführen: η = 3, r = 0,034 cm, d = 0,01 cm, P = 1,10—³ kg, G = 7,1ο⁵ kg/cm², so erhält man den Wert

dp = 1,1 · 10—³ cm

(2)

Im Falle, daß ein Stufenbecherchen den wesentlichen Bestandteil der Einrichtung bildet, kann der Wert der Verformung nach einer Annäherungsgleichung berechnet werden, die von jener bekannten Gleichung abgeleitet ist, nach der die Verformung einer zylindrischen Platte berechnet wird, die entlang ihres Randes befestigt ist. Man hat diese Formel der hier erwogenen Aufgabe durch die Annahme besser angepaßt, der Wert der Gesamtverformung wäre gleich der Summe der Werte der Verformungen aller Einzel- iao platten, die ihrerseits die aufeinanderfolgenden Stufen bilden.

(3)

Unter Anwendung der Gleichung auf ein Dreistufenbecherchen erhält man: ο = 217,·P

In diesen Gleichungen bedeutet: dp den Wert der Verformung in Zentimeter, P den ausgeübten Gesamtdruck in Kilogramm, T₁ den Halbmesser der größten Stufe, r₂, —, —, r„—ι den Halbmesser der aufeinanderfolgenden Zwischenstufen, r„ den Halbmesser

ίο der kleinsten Stufe, h die Dicke der verwendeten Platte, E den Elastizitätskoeffizienten in kg/cm².

Die Berechnung dieses Beispiels, die in keinerlei Weise den Umfang der Erfindung beschränken soll, ergibt unter Anwendung der vorangehenden Gleichungen die Werte, welche die Verformung dp erreichen kann, wenn man ein dreistufiges Becherchen verwendet, wobei als Werkstoff Nickel und die Abmessungen wie folgt gewählt werden: P 1,10—³ kg, r_x 0,2 cm, r₂ 0,13 cm, r₃ 0,06 cm, h 2,10—³ cm, E 2,io^e

ao kg/cm².

Derart kommt man zu folgendem Werte:

dp = 0,47

₍₅₎

Dieser Wert vergrößert sich noch weiter, wenn man vom Elastizitätsmodul E des Platins oder demjenigen anderer Metalle ausgeht.

In der vorangehenden Gleichung (3) wurde keine Rücksicht darauf genommen, daß der Wert dp die Maximalverformung im Mittelpunkt des Becherchens gibt. Doch wird diese kleine Ungenauigkeit durch den Umstand ausgeglichen, daß die Becherchen nicht aus dem Vollen gearbeitet sind und daß ihr Aufbau in Wirklichkeit einer Art Trichter entspricht, der aus einer Folge von hohlen Zylindern besteht, deren Gesamtverformung größer sein wird als die nach der vorbesagten Gleichung (3) berechnete.

Überdies ist in Erwägung zu ziehen, daß auch die Vertikalwände unter Wirkung des Druckes sich verformen, wie dies aus der Abb. 8 hervorgeht. Der Winkel a, der nach der Verformung zwischen der Wand der Mittelstufe und der Gesamtachse des Systems eingeschlossen wird, ist in Wirklichkeit eine weitere Veränderliche, die zur Erhöhung des ursprünglich berechneten ^-Wertes beiträgt. Die Gleichung (4), zu der man, von einem homogenen Druck im Plattenmittelpunkt ausgehend gelangt, kann nicht auf den Fall ausgedehnt werden, daß r₂ — Y₁ oder Y₃ — r₂ wird, was zu bedeuten hat, daß die Verhältnisse Y₁ — r₂ und r₂ — Y₃ immer eingehalten werden müssen. Dies entspricht übrigens den mechanischen Anforderungen der Ausführung.

Wenn man sämtliche Verschiebungsmöglichkeiten der aufeinanderfolgenden zylindrischen Umhüllungsflächen erwägt, so könnte man auch die folgende Gleichung in Anwendung bringen:

= -T7Ä.^P[²'54-»i-i.5ai-'

(6)

Diese ist für die Verformung einer einzigen, sich frei entlang ihres Umfanges auf einer Unterlage abstützenden und einer gleichförmig im Innern eines Umkreises von einem Mitteldurchmesser 2 r₂ verteilten Belastung ausgesetzten Rundplatte gültig.

Wenn man für die verschiedenen Größen diejenigen Werte annimmt, von denen die Berechnung mit Hilfe der Gleichung (4) ausgegangen ist, erhält man für dp einen Wert von:

dp = 0,92 · 10—-³

(7)

Dieser Wert übersteigt bedeutend denjenigen, zu dem man, von der Formel (4) ausgehend, gelangt. In Wirklichkeit wird das Ergebnis etwa zwischen den beiden Werten liegen und sich eher dem letzteren nähern.

Jedenfalls sieht man, daß der Wert der Verformung von demjenigen, der durch Verformung einer gewöhnliehen Schraubenfeder erreicht wurde, nicht sehr verschieden ist. Es genügt, die Ergebnisse (2), (5) und (7) zu vergleichen.

Immerhin ist die Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes von Belang und es muß der Tatsache Rechnung getragen werden, daß dieselbe viel rascher bei den Ausführungsformen mit Becherchen erreicht wird, wo die Beanspruchung σ nach folgender Gleichung zu berechnen ist:

Γ Ir \ Iy \ al /h²

<7 = πο,62Ρΐτ«Ι^Μ +n^l-lU I /ⁿ

σ = π 82 kg/cm²

Dieser Wert ist geringer als der für Nickel gültige Normalwert.

Es ist zu beobachten, daß die Werte von E vorteilhafterweise durch Verwendung geeigneter Legierungen verbessert werden können, was natürlich erlaubt, eine Verminderung des Drucks zu erwägen, welcher in der Höhe von ungefähr einem Gramm angenommen wurde, von welcher Annahme die vorangehenden Berechnungen ausgehen, insofern sich dieselben analog mit den nach Art der in der Abb. 1 dargestellten Schraubenfedern befassen, welcher Wert im allgemeinen bei der Anwendung der besagten Federn angenommen wird, derart, daß ein Verformungswert dp erzielt wird, der praktisch unveränderlich bleibt.

Eine Seitenverschiebung infolge mechanischer Erschütterungen, von denen die ungünstigsten diejenigen sind, die eine zur Achse des Becherchens lotrecht verlaufende Komponente aufweisen, ist bei Verwendung der Anordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung viel weniger zu befürchten als sonst. Es besteht daher kein Anlaß, diesen Druck nicht zu vermindern. Eine Druckverminderung setzt gleichzeitig die elektrische Kapazität der Kontaktstelle zwischen Stütze und Kristall herab.

Um die Federwirkung des federnden Becherchens weiter zu verbessern, kann dasselbe aus segmentierten iac Stufen gebildet werden, wie es in der Abb. 9 schematisch dargestellt ist.

Durch Vergleich der beiden in den Abb. 5 und 10 dargestellten schematischen Ersatzschaltbilder, die einerseits dem Federsystem (Abb. 1), wie es früher verwendet wurde, und andererseits dem erfindungs-

gemäßen System mit dem federnden Becherchen (Abb. 7) entsprechen, kommen folgende Umstände zum Ausdruck: L>>L', R_t < R_t', C₁ > C₁'.

Unter der Annahme, daß C₂ ^ C₂', C₃ p» C₃'
gilt: R_p = R_p'.

Daraus folgt, daß eine mit dem erfindungsgemäßen Berührungsorgan versehene Diode elektrische Eigenschaften aufweist, die die Möglichkeit einer besseren Konzentrierung der Hochfrequenzenergie in der Grenzschicht bzw. Kontaktschicht D bedingen.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kristalldiode mit Punktkontakt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Berührungsspitze und der zugehörigen Zuführungselektrode ein federndes Stufenbecherchen eingeschaltet ist.

2. Kristalldiode laut Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufenbecherchen durch

ao Prägen oder Drücken aus ungefähr 0,002 cm dicken Plättchen hergestellt ist.

3. Kristalldiode laut Anspruch 1 und/oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus einem Plättchen mit tiefen radialen Einschnitten hergestellt ist.

4. Kristalldiode laut einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktspitze getrennt hergestellt und elektrisch auf die letzte Stufe des Becherchens aufgeschweißt wird.

5. Kristalldiode laut einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Becherchens durch Auftragen von Metall auf die kleinste Stufe des Becherchens und durch nachherige Bearbeitung zu einem sehr scharfen Kegel verformt wird.

6. Kristalldiode nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Becherchen mit der Zuführungselektrode durch Schweißung verbunden ist.

7. Gerät zum Empfang elektrischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe eine Kristalldiode im Sinne eines der vorangehenden Ansprüche enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 1975 10.51