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DE976402C - Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkoerper aus Germanium oder Silizium - Google Patents

Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkoerper aus Germanium oder Silizium

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Publication number
DE976402C
DE976402C DEL12998A DEL0012998A DE976402C DE 976402 C DE976402 C DE 976402C DE L12998 A DEL12998 A DE L12998A DE L0012998 A DEL0012998 A DE L0012998A DE 976402 C DE976402 C DE 976402C
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
semiconductor body
electrically
conductive system
barrier layer
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DEL12998A
Other languages
English (en)
Inventor
Hans-Ulrich Dr Rer Nat Harten
Werner Dr Phil Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US24537D priority Critical patent/USRE24537E/en
Priority to NLAANVRAGE7606736,A priority patent/NL180221B/xx
Application filed by Licentia Patent Verwaltungs GmbH filed Critical Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority to DEL12998A priority patent/DE976402C/de
Priority to FR1086895D priority patent/FR1086895A/fr
Priority to US371002A priority patent/US2703855A/en
Priority to GB21027/53A priority patent/GB781061A/en
Application granted granted Critical
Publication of DE976402C publication Critical patent/DE976402C/de
Expired legal-status Critical Current

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Description

AUSGEGEBENAM 19. DEZEMBER 1963
Li2998VIIIcl2ig
Belecke/Möhne
Bekannte Trockengleichrichteranordnungen zur Speisung von Verbrauchern von Gleichstrom großer Stromstärke sind aus gekühlten Trockengleichrichterplatten aufgebaut. Bei diesen ist eine etwa ι mm dicke Metallplatte mechanischer Träger einer dünnen Halbleiterschicht sowie einer die Halbleiterschicht auf ihrer anderen Seite bedeckenden Gegenelektrode und zweite Elektrode der Halbleiterschicht.
Zur Kühlung von Trockengleichrichterplatten ist bekannt, der Trägerplatte die Form eines Rohres zu geben, auf dessen Außenseite sich die Halbleiterschicht und die diese bedeckende Gegenelektrode befindet, und durch das Rohr ein Kühlmittel wie Wasser oder Luft hindurchzuleiten. Das rohrförmige Trockengleichrichterelement ist bei der hekannten Trockengleichrichteranordnung auf der Gegenelektrodenseite mit einem feuchtigkeitsabweisenden elektrisch isolierenden Mittel wie Öl oder Luft gegen die umgebende Atmosphäre abgeschlossen. Ein derartiges Trockengleichrichterelement, bei dem das Trägerrohr aus Kupfer und die Halbleiterschicht aus Kupferoxydul besteht, weist eine Abführung der in der Sperrschicht zwischen Kupfer und Kupferoxydul im Betrieb entstehenden Jouleschen Wärme durch die Rohrwand an das durch das Rohrinnere hindurchgeleitete Kühlmittel mit einem sehr geringen Temperaturgefälle auf. Für ein rohrförmiges Trockengleichrichterelement mit einem Trägerrohr aus Eisen oder Aluminium und einer Selenhalbleiterschicht ist wegen der verhältnismäßig geringen Wärmeleitfähigkeit des Selens eine zusätzliche Kühlung der Rohraußenseite vorgesehen, bei welcher die äußere Trägerrohr-
309 771/4
oberfläche nur zu einem Teil mit der Selenschicht überzogen wird, so daß die Wärmeabführung durch das Trägerrohr sowohl über die Rohrinnenseite an das strömende Kühlmittel als auch über den frei liegenden Teil der Rohraußenseite an das die Trockengleichrichterelemente auf dieser Seite umgebende feuchtigkeitsabweisende elektrisch isolierende Mittel (Öl oder Luft) stattfinden kann. Anstatt dieser Maßnahme kann auch eine Kühlung
ίο des die Trockengleichrichterelemente auf der Rohraußenseite umgebenden Isoliermittels durch weitere durch das Isoliermittel geführte Kühlmittel durchflossene Rohre erfolgen. Bei den bekannten gekühlten Trockengleichrichterelementen kann auf Grund der Kühlung die Spannungsbeanspruchung erhöht werden. Da die Verluste in der Stromdurchlaßrichtung durch diese Spannungserhöhung nicht beeinflußt werden, ergibt sich eine entsprechende Erhöhung des Wirkungsgrades und damit eine daraus folgende Verringerung der räumlichen Abmessung der Trockengleichrichteranordnung.
Die für Trockengleichrichterplatten bislang brauchbaren Halbleitersubstanzen, Selen und Kupferoxydul, lassen nun nur eine geringe Strombelastung pro Flächeneinheit der Trockengleichrichterplatte zu. Selen-und Kupferoxydul-Trockengleichrichteranordnungen zur Erzeugung großer Gleichströme müssen daher aus Trockengleichrichterplatten großer Flächenausdehnung aufgebaut sein. Die Kühlung solcher Trockengleichrichterplatten wird dadurch erleichtert, daß die bislang verwendeten Halbleitersubstanzen, Selen und "Kupferoxydul, nur geringe Ströme pro Flächeneinheit führen können. Großflächige Trockengleichrichterplatten weisen nämlich schon auf Grund ihres mechanischen Aufbaus große Flächen für eine Wärmeabfuhr sowie eine gewisse Wärmekapazität auf. Wegen der geringen Strombelastbarkeit pro Flächeneinheit sind außerdem die pro Flächeneinheit abzuleitenden Wärmemengen nur gering.
Die Halbleiterelemente Germanium und Silizium wurden bisher praktisch nur zum Bau von Gleichrichtern verhältnismäßig geringer Leistung, wie Kristalldioden- und Transistoren, verwendet, bei denen die Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials für eine ausreichende Wärmeableitung ohne zusätzliche Kühlungsmaßnahmen ausreichte. Bei einem Transistor, der ein kleines Germaniumplättchen aufweist, das mit einer Seitenfläche auf einer als eine Elektrode dienenden Grundplatte befestigt ist, und auf dessen anderer Seitenfläche zwei Drahtspitzen zwei nahe benachbarte punktförmige Kontakte bilden, ist zur Vergrößerung der Ausgangsleistung bekannt, das dünne Germaniumplättchen direkt auf eine Kupferplatte aufzulöten, die die Wärme über Kühlrippen abgibt. Durch die Verwendung eines derart angebrachten Kühlers wird die Wärme in der Nähe der Arbeitsspitze stärker abgeführt. Mit einer solchen Anordnung soll sich eine Ausgangsleistung von annähernd 200 mW erzielen lassen. Nun ermöglichen jedoch die halbleitenden Stoffe Germanium oder Silizium auf Grund ihrer hohen Strombelastbarkeit die Herstellung von Gleichrichtern für die Gleichrichtung oder Steuerung wesentlich stärkerer Ströme, als sie bei diesem gekühlten Transistor durch die Arbeitsspitzen fließen. Bei solchen Gleichrichtern werden aber auf kleinstem Raum verhältnismäßig große Wärmemengen entwickelt. Die .bekannte Kühlung eines Transistors mittels einer Kühlplatte auf der von der Arbeitsspitze und damit auch der Sperrschicht abgewandten Seite des Halbleiterplättchens läßt nur eine wegen des größeren Wärmeweges im Halbleiterkörper begrenzte Wärmeabfuhr zu.
Die bekannte gekühlte Trockengleichrichteranordnung mit Kupferoxydulgleichrichterelementen zeigt zwar die beim Kupferoxydulgleichrichterelement gegenüber dem Selengleichrichterelement günstigeren Wärmeableitverhältnisse bei der Kühlung der Trägerplatte dieser Trockengleichrichterelemente. Zur besseren Kühlung der Selengleichrichterelemente ist es jedoch bekannt, entweder die Wärmeableitung von dem Trägerrohr des Selengleichrichterelementes zu vergrößern oder das mit dem Selengleichrichterelement auf der Gegenelektrodenseite in Berührung stehende Isoliermittel zusätzlich zu kühlen. Auch die von dem bekannten gekühlten Kupferoxydulgleichrichterelement ausgehende Anregung zur besseren Kühlung von Trockengleichrichterelementen, die wie das Selengleichrichterelement die Sperrschicht auf der der Trägerplatte abgewandten Seite der Halbleiterschicht aufweisen, durch eine Kühlung des isolierenden, das Trockengleichrichterelement auf der Gegenelektrodenseite umgebenden Mediums würde bei ihrer Anwendung auf Germanium- und SiIiziumgleichrichter für die Gleichrichtung oder Steuerung starker Ströme'wegen der um mehrere Größenordnungen verschiedenen Strombelastbarkeit der Halbleiterstoffe eine unzureichende Kühlung ergeben. Des weiteren würde auch das Anpressen von einer der Kühlluft ausgesetzten Metallscheibe gegen die Gegenelektrode von Selengleichrichterplatten, das bei den bekannten Selengleichrichtersäulen erfolgt, wegen des hohen Wärme-Übergangswiderstandes an der kontaktierten Oberfläche der Kühlteile eine für Germanium- und Siliziumgleichrichter hoher Strombelastbarkeit mangelhafte Kühlung ergeben.
Um bei einem Transistor einen möglichst sperrschichtfreien Kontakt der Basiselektrode an dem Halbleiterkristall zu erzielen, ist bekannt, die Basiselektrode mit einem Lot an den Halbleiterkristall anzulöten, das einen p- bzw. n-Leitfähigkeit in dem Halbleiterkristall erzeugenden Stoff enthält je nach dem Leitungstyp des Halbleiterkristalls. Durch die Eindiffusion des dotierenden Stoffes aus dem Lot in den an die Basiselektrode angrenzenden Bereich wird dort ein Gebiet stärkeerer Dotierung erhalten, jedoch kein Wechsel des Leitfähigkeitstyps und daher keine Sperrschicht.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium und einem an dem Halbleiterkörper angelöteten Kühlteil, insbesondere
Flächengleichrichter oder Kristallverstärker, und ermöglicht die Ausnutzung der hohen Strombelastbarkeit der halbleitenden Stoffe Germanium und Silizium sowie weitere Vorteile.
Gemäß der Erfindung steht der Kühlteil über eine elektrisch und thermisch gut leitende sowie Material zur Erzeugung der Sperrschicht enthaltende Lötverbindung mit dem der Sperrschicht zunächst liegenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers in Wärmekontakt.
Durch die Anordnung gemäß der Erfindung erhält die Sperrschicht, an welcher im Betrieb des elektrisch unsymmetrisch leitenden Systems die Wärme zum größeren Teil entwickelt wird, eine besonders günstige Kühlung. Der Kühlteil steht bei dem elektrisch unsymmetrisch leitenden System gemäß der Erfindung mit dem der Sperrschicht zunächst liegenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers in besserem Wärmekontakt als mit dem übrigen Oberflächenteil.
Während bei der bekannten Anordnung der Kühlplatte an einem Transistorkristall der Wärmeweg die Schichtenfolge Germaniumscheibe, Lötschicht und Kühlplatte aufweist, befindet sich bei dem elektrisch unsymmetrisch leitenden System gemäß der Erfindung zwischen Sperrschicht und Kühlteil die elektrisch und thermisch gut leitende sowie Material zur Erzeugung der Sperrschicht enthaltende Schicht der Lötverbindung. Bei dem bekannten Transistor muß die Kühlung von der kühlenden Trägerplatte her durch das Germaniumplättchen hindurchgreifen. Wenn das Germaniumplättchen auch dünn ist, nämlich eine Stärke von etwa 0,5 mm hat, so entsteht im Betrieb des gekühlten Systems in diesem doch ein Temperaturgradient von 20° C und mehr. Da die Temperatur des Germaniums, bei der infolge des Auftretens von Eigenleitung die Sperrschichtwirkung aufhört, im allgemeinen zwischen 60 und yo° C liegt, kann bei der großen Energiedichte der Belastung schon eine Temperatur wenige Grad über dieser Grenztemperatur das System unwirksam machen. Im Gegensatz zu dem hohen Temperaturgradienten bei Systemen mit Germanium und Silizium treten bei gekühlten Trockengleichrichteranordnungen mit Selen- oder Kupferoxydulgleichrichterplatten Temperaturgefälle zwischen Sperrschicht und Trägerplatte nicht auf.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium und einem an dem Halbleiterkörper angeschmolzenen Kühlteil, insbesondere Flächengleichrichter oder Kristallverstärker, und zwar besteht diese darin, daß der Kühlteil an der der Sperrschicht zunächst liegenden Verschmelzungsstelle mit dem Halbleiterkörper ganz oder teilweise aus einem Material besteht, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkörper dessen Leitfähigkeit wesentlich beeinflußt. Wenn also beispielsweise ein Kühlteil mit einem überschußleitenden Halbleiterkristall durch Anschmelzen verbunden wird, so besteht der Kühlteil an der Verschmelzungsstelle ganz oder teilweise aus einem Material, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkristall Defektleitung hervorruft. Bei Verwendung eines Halbleiterkristalls aus überschußleitendem Germanium eignen sich als solche Materialien besonders Aluminium, Thallium, Indium oder Gallium. Vorteilhaft besteht der Kühlteil dann zum überwiegenden Teil aus Aluminium. Ist der Halbleiterkristall hingegen defektleitend, so wird man für den Kühlteil ein Material wählen, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkristall Überschußleitung, also bei einem Halbleiterkristall aus defektleitendem Germanium etwa den Kühlteil ganz oder teilweise aus Antimon oder Zinn herstellen. Das Verschmelzen wird am besten bei verringertem Druck oder vorzugsweise in einem Schutzgas vorgenommen. Halbleiterkristall und Kühlteil werden zweckmäßig während oder nach dem Anschmelzen einer Temperatur-, behandlung unterworfen, wodurch die eine Sperrschicht bildende Störstellenverteilung im Halbleiterkörper erzeugt wird.
Der Kühlteil ist zweckmäßig als Behälter ausgebildet, in den das System ganz oder teilweise eingeschlossen ist und an dessen Innenwand es befestigt ist. Der Behälter kann entweder doppelwandig sein und zwischen den beiden Wänden ein Kühlmittel enthalten oder von einem solchen durchflossen werden. Es kann statt dessen oder zusätzlich an seiner Außenseite einem Kühlmittel ausgesetzt sein.
Die Wärmeableitung von dem Halbleiterkristall zu dem Kühlteil kann unterstützt werden, indem der als Behälter ausgebildete Kühlteil mindestens so weit mit einer Vergußmasse aus Material einer Aushärteschrumpfung kleiner als 1% und hoher Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt wird, daß die Vergußmasse .den Halbleiterkörper an seiner freien Oberfläche völlig umhüllt. Als Gießharz hoher Wärmeleitfähigkeit eignet sich besonders ein Gießharz, das als Füllstoff Quarzmehl enthält.
Die.Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung im Schnitt Ausführungsbeispiele von elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen gemäß der Erfindung.
Fig. ι zeigt eine Grundplatte 1 aus Kupfer, auf der mittels einer Lotschicht 2 aus Indium eine η-leitende Germaniumscheibe 3 befestigt ist, die beispielsweise Antimon als Störstellensubstanz enthält. Durch Einwanderung von Indium bei einer Erhitzung ist der Teil 4 der Germaniumscheibe 3 p-leitend geworden und an der durch die gestrichelte Linie angedeuteten Fläche eine Sperrschicht entstanden. Auf der Germaniumscheibe 3 befindet sich eine' möglichst nahezu sperrschichtfreie Elektrode 5, beispielsweise aus Zinn, die eine Zuleitung 6 aufweist. Dieses System dient als Beispiel für einen belastbaren Germaniumgleichrichter.
Fig. 2 zeigt eine Grundplatte 7 aus Aluminium, auf die eine Schicht 9 aus Indium aufgedampft worden ist. Auf die Indiumschicht wird eine Germaniumscheibe 8 aufgelegt. Die Schichten werden auf den Schmelzpunkt der Aluminium-Indium-
Legierung erhitzt. Dadurch wird der untere Teil der Germaniumscheibe 8 p-leitend, während der übrige Teil mit der aus Zinn bestehenden Elektrode η-leitend bleibt.
Fig. 3 zeigt das gleiche System wie Fig. ι mit dem Unterschied, daß der Germaniumblock io oberhalb der Sperrschichtzone, die gestrichelt angedeutet ist, mit Steuerelektroden 11 versehen ist, die auf bestimmten Oberflächengebieten des n-leitenden Germaniumblocks angebracht sind, die beispielsweise infolge thermischer Umwandlung p-leitend sind.
Fig. 4 zeigt einen H-förmigen doppelwandigen Zylinder 12, der beispielsweise aus Aluminium besteht und zwischen den beiden Wänden von einer Kühlflüssigkeit, z. B. öl oder Wasser, durchströmt wird. In ihm sind zwei Gleichrichtersysteme 13 und und 14 untergebracht, die in ihrem Aufbau dem in Fig. 2 dargestellten System entsprechen, wenn die Grundplatte 7 mit ihrer Aufdampfschicht 9 des Systems der Fig. 2 jeweils durch den kontaktierenden und an der Verschmelzungsstelle mit einer Aufdampfschicht überzogenen Wandteil des Aluminiumzylinders 12 ersetzt wird. Die Aluminiumwand des Kühlteils 12 ist zugleich Elektrode der Systeme 13 und 14. Die Systeme 13 und 14 sind von dem Kühlteil 12 becherförmig eingeschlossen. Diese becherförmigen Teile des Kühlteils 12 sind mit Gießharz 15 einer Aushärteschrumpfung kleiner als ι %> und hoher Wärmeleitfähigkeit so weit ausgefüllt, daß der Halbleiterkörper völlig umhüllt ist.

Claims (12)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium und einem an den Halbleiterkörper angelöteten Kühlteil, insbesondere Flächengleichrichter oder Kristallverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil über eine elektrisch und thermisch gut leitende sowie Material zur Erzeugung der Sperrschicht enthaltende Lötverbindung mit dem der Sperrschicht zunächst liegenden Oberflächenteil des Halbleiterkörpers in Wärmekontakt steht.
  2. 2. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem eine Sperrschicht enthaltenden Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium und einem an dem Halbleiterkörper angeschmolzenen Kühlteil, insbesondere Flächengleichrichter oder Kristallverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil an der der Sperrschicht zunächst liegenden Verschmelzungsstelle mit dem Halbleiterkörper ganz oder teilweise aus einem Material besteht, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkörper dessen Leitfähigkeit wesentlich beeinflußt.
  3. 3. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper überschußleitend ist und der Kühlteil ganz oder teilweise aus einem Material besteht, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkörper Defektleitung hervorruft.
  4. 4. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil ganz oder teilweise aus Aluminium, Thallium, Indium oder Gallium besteht.
  5. 5. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil überwiegend aus Aluminium besteht.
  6. 6. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper defektleitend ist und der Kühlteil ganz oder teilweise aus einem Material besteht, das durch Eindiffusion in den Halbleiterkörper Überschußleitung hervorruft.
  7. 7. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil ganz oder teilweise aus Antimon oder Zinn besteht.
  8. 8. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlteil ein Behälter ist, in den das elektrisch unsymmetrisch leitende System ganz oder teilweise eingeschlossen ist, und daß das System an der Innenwand des Behälters befestigt ist.
  9. 9. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter doppelwandig ist und zwischen den Wänden ein Kühlmittel enthält oder von diesem durchflossen ist.
  10. 10. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter an seiner Außenseite einem Kühlmittel ausgesetzt ist.
  11. 11. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mindestens so weit mit einer Vergußmasse aus Material einer Aushärteschrumpfung kleiner als 1% und hoher Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist, daß die Vergußmasse den Halbleiterkörper umhüllt.
  12. 12. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse aus einem Gießharz besteht, das als Füllstoff Ouarzmehl enthält.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschriften Nr. 510 598, 689 105,
    710631,837272;
    schweizerische Patentschrift Nr. 174 189;
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