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Kristalldiode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kristalldiode, die aus einer dünnen Scheibe halbleitenden Ma- terials besteht, die auf einer Seite mit einem ohmischen Kontakt und auf der andern Seite mit einem
Gleichrichtkontakt versehen ist, von welchen Kontakten mindestens einer, insbesondere beide durch Le- gierung erhalten sind. Der andere Kontakt kann z. B. durch Legierung oder durch Diffusion erhalten sein.
Unter einem Legierungskontakt wird ein Kontakt verstanden, der durch ein bekanntes Verfahren her- gestellt ist, das darin besteht, dass auf einem halbleitenden Körper eine Menge Kontaktmaterial angebracht wird, das wirksame Verunreinigungen, Donatoren und/oder Akzeptoren enthält, worauf das Ganze dermassen erhitzt wird, dass sich auf dem halbleitenden Körper eine Schmelze des Kontaktmaterials bildet, in der sich eine kleine Menge halbleitenden Materials löst, das nach Abkühlung wieder kristallisiert mit einem Gehalt an Verunreinigungen, so dass es eine Schicht mit einer Leitfähigkeit und/oder einem
Leitfähigkeitstyp bildet, die (der) von der (dem) des halbleitenden Körpers verschieden ist, auf welcher Schicht sich darauf das übrige, erstarrte Kontaktmaterial ablagert.
Bei Kristalldioden ist es im allgemeinen üblich und mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften wünschenswert, unter anderm mit Rücksicht auf die kleine Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger in dem halbleitenden Material, den ohmischen und den gleichrichtenden Kontakt einander gegenüber beiderseits der Scheibe halbleitenden Materials anzubringen, so dass die Kontakte sich in einem Minimalabstand voneinander befinden. Bei dünnen, halbleitenden Scheiben liegt die Zentrierung der Kontakte ausserdem noch auf der Hand wegen der Tatsache, dass der elektrische Streuungswiderstand bei zentrierten Kontakten minimal ist.
Es hat sich jedoch ergeben, dass diese Bauart eine schlechte Sperrkennlinie zur Folge haben kann, wenn die halbleitende Scheibe dünn ist, z. B. 100 li beträgt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der hohe Sperrstrom dadurch auftritt, dass während der Abkühlung Spannungen in dem halbleitenden Körper entstehen, die bei dünnen Scheiben Risse hervorrufen, die sich durch die halbleitende Scheibe von dem Legierungskontakt zur andern Seite mit dem andern Kontakt ausdehnen und die mit einer feuchten Atmosphäre gefüllt sind. welche Ionenleitung auf die- sem Weg ermöglicht. Zu dieser Erkenntnis trägt die Tatsache bei, dass beim Anbringen einer solchen Kristalldiode im Hochvakuum der Sperrstrom erheblich sinkt und den normalen Wert annimmt. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere auf, wenn das Kontaktmaterial und das halbleitende Material beide spröde sind und einen grossen Unterschied im Ausdehungskoeffizienten aufweist.
Die Erfindung bezweckt, eine einfache Bauart zu schaffen, bei der die vorerwähnte Schwierigkeit vermieden wird. Sie ist besonders wichtig für die Anwendung von Kristalldioden, bei denen besonders die Sperrkennlinie hohe Anforderungen zu erfüllen hat.
Bei einer Kristalldiode nach der Erfindung sind die Kontakte beiderseits der Scheibe einander gegen- über so angeordnet, dass die geometrische Projektion des ohmischen Kontaktes senkrecht zu der gegen- überliegenden Seite ausserhalb der Begrenzung des gleichrichtenden Kontaktes liegt. Mit Rücksicht auf die endliche Eindringtiefe der Risse ist diese Bauart besonders von Bedeutung bei Kristalldioden, deren halbleitende Scheibe dünner ist als 150 fl. Man kann z. B. den ohmischen Kontakt in Form eines Ringes um den Gleichrichtkontakt auf der dem Gleichrichtkontakt gegenüberliegenden Seite anbringen.
Bei einer sehr einfachen Ausführungsform der Kristalldiode ist sowohl der ohmische als auch der
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gleichrichtende Kontakt durch Auflegierung z. B. einer Kugel, eines Drahtes oder einer Pille aus Kon- taktmaterial angebracht. Besonders bei dieser Ausführungsform ist die vorstehend angegebene Verschie- bung der Kontakte von grosser Bedeutung, da sonst von beiden Seiten her anfangend bei den Legierungs- kontakten die Spannungen und Risse in die halbleitende Scheibe eindringen. Indem die Kontakte von der zentrierten Lage über einen so grossen Abstand verschoben werden, dass der Minimalabstand zwischen
Projektion und Begrenzung mindestens gleich der Stärke der halbleitenden Scheibe ist. kann das Auftre- ten von Rissen meistens vollkommen vermieden werden.
Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Kontakte nicht weiter voneinander entfernt werden sollen als mit Rücksicht auf die Sperrkennlinie erforderlich ist, da die Verschiebung eine Verringerung des Vorwärtsstromes mit sich bringt.
Die Erfindung ist besonders wichtig für Kristalldioden, deren halbleitende Scheibe aus Silizium be- steht, da Silizium ein sprödes Material mit einem verhältnismässig niedrigen Ausdehnungskoeffizienten ist. während die meisten, bisher für Silizium verwendeten Kontaktmaterialien oder die Legierungen dieser
Materialien mit Silizium, z. B. eine Legierung aus 75 Gew. -0/0 Gold und 25 Gew. -0/0 Antimon oder Alu- minium-Silizium-Legierungen auch spröde sind und einen verhältnismässig hohen Ausdehnungskoeffizien- ten haben.
Messungen an Kristalldioden mit einer halbleitenden Siliziumscheibe des p-Typs, auf der sich ein ohmischer Legierungskontakt aus Aluminium, ein gleichrichtender Legierungskontakt aus einer Legie- rung von 75 Gew.-% Gold und 25 Gew. -0/0 Antimon befindet, haben erwiesen, dass das Auftreten von Rissen meistens ganz verhütet werden kann, indem die Legierungskontakte von der zentrierten Lage her über einen so grossen Abstand verschoben werden, dass der Minimalabstand zwischen der Projektion des ohmi- schen Kontaktes und der Begrenzung des gleichrichtenden Kontaktes mindestens gleich der Stärke der Scheibe, vorzugsweise das Zweifache dieser Stärke oder mehr ist, wodurch der Sperrstrom um etwa einen Faktor 100 oder mehr erniedrigt wird,
während der Vorwärtsstrom in Abhängigkeit von der Lebensdauer der Minderheitsladungsträger in dem halbleitenden Material nur um etwa einen Faktor 3 - 10 abnimmt.
Der Vorwärtsstrom nimmt erst erheblich ab, wenn der mittlere Abstand der Kontakte einige Male die Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung sich nur auf Kristalldioden bezieht und nicht auf Photozellen und Transistoren. Bei diesen halbleitenden Elektrodensystemen können die Kontakte aus vollkommen andern Gründen verschoben angebracht sein als die, welche bei Kristalldioden gelten. Bei einem Transistor z. B. wird man zum Erzielen eines hohen Stromverstärkungsfaktors die gleichrichtenden Kontakte einander gegenüber anbringen, so dass der ohmische Kontakt seitlich von diesen Kontakten liegt, da die Stelle gegenüber jedem der beiden Gleichrichtkontakte besetzt ist ; bei Photodioden wird der ohmische Kontakt möglichst nahe dem Rande der halbleitenden Scheibe angebracht, da die Strahlung möglichst unabgeschwächt in die Umgebung der Sperrschicht eindringen kann.
Die Erfindung wird an Hand einiger Figuren näher erläutert, in denen einige Ausführungsformen einer Kristalldiode nach der Erfindung dargestellt sind.
Die Fig. 1-3 zeigen in einem Längsschnitt Ausführungsformen einer Kristalldiode nach der Erfindung und Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer besonderen Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Legierungsdiode. Die halbleitende Scheibe 1 besteht aus p-Typ Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 20 Ohm, cm und einer Stärke von etwa 100 li. Auf einer Seite ist ein gleichrichtender Legiemngskontakt 2 durch Aufschmelzen von Kontaktmaterial angebracht, das aus einer Legierung von 25 Gew.-% Antimon und 75 Gew.-% Gold besteht. Die Eindringtiefe beträgt etwa 30 u. An diesem Kontakt ist ein Zuführungsdraht 3 aus Nickel festgelötet. Auf der andern Seite der halbleitenden Scheibe, verschoben gegenüber diesem Kontakt, ist der ohmische Legierungskontakt 4 durch Aufschmelzen von Aluminiumdraht angebracht.
Die Projektion dieses Kontaktes, der eine Eindringtiefe von etwa 40 p hat, auf die gegenüberliegende Seite ist in dem Schnitt durch die Linie AB bezeichnet.
Der Minimalabstand d der Begrenzung von der Projektion beträgt etwa 300 fil. An diesem Aluminiumkontakt 4 ist mittels eines Klemmkontaktes 5 aus Nickel der Zuführungsdraht 6 aus Kupfer befestigt.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht im grossen Ganzen der nach Fig. 1. mit der Ausnahme jedoch, dass der ohmische Legierungskontakt durch einen Diffusionskontakt 4 ersetzt ist und dass die Kontakte sich einander näher befinden. Dieser Diffusionskontakt kann z. B. dadurch erhalten werden, dass örtlich eine Galliumschicht auf den halbleitenden Körper 1 aufgedampft und das Ganze darauf während einer gewissen Zeit auf 11000 C erhitzt wird, so dass das Gallium in die halbleitende Scheibe diffundiert. Die Kontaktstelle wird darauf elektrolytisch verkupfert, worauf durch Löten ein Zuführungsdraht 7 aus Kupfer befestigt wird.
In Fig. 3 besteht der ohmische Kontakt aus einem auflegierten Ring 8 aus Kontaktmaterial. an dem einZuführungsdraht 9 befestigt ist. Auf der ändern Seite, innerhalb dieses Ringes, ist der gleichrichtende Kontakt 10 angebracht, der auch mit einem Zuführungsdraht 11 versehen ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die zwei Enden eines U-förmig gekrümmten Drahtes 12 aus Kontaktmaterial auf den halbleitenden Körper 15 aufgeschmolzen. Der Kontakt kann z. B. als ohmischer Kontakt verwendet werden und ist an dem Verbindungsstück der zwei Enden mit einem Zuführungsdraht 13 verbunden. Auf der andern Seite ist zwischen den beiden Enden der gleichrichtende Kontakt 14 vorgese- . 1en.
Die Wirkung'der Erfindung ist weiter noch aus folgenden Daten ersichtlich. Bei der Kristalldiode nach Fig. 1 betrug der Sperrstrom bei einer Sperrspannung von 80 V weniger als 0, 1 A, während der Sperrstrom der Kristalldiode mit einander gegenüberliegenden, zentrierten Kontakten, welche Diode im übrigen der Kristalldiode nach Fig. 1 ähnlich war, bei 20 V bereits 10 li A betrug.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kristalldiode, die aus einer dünnen Scheibe halbleitenden Materials, wie z. B. Silizium besteht, die auf einer Seite mit einem ohmischen Kontakt und'auf der andern Seite mit einem gleichrichtenden Kontakt versehen ist, von welchen Kontakten mindestens einer, insbesondere beide durch Legierung erhalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Projektion des ohmischen Kontaktes senkrecht zur gegenüberliegenden Seite ausserhalb der Begrenzung des gleichrichtenden Kontaktes liegt.
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Crystal diode
The invention relates to a crystal diode, which consists of a thin disk of semiconducting material, on one side with an ohmic contact and on the other side with a
Rectifying contact is provided, of which at least one, in particular both contacts, are obtained by alloying. The other contact can e.g. B. be obtained by alloying or by diffusion.
An alloy contact is understood to be a contact which is produced by a known method which consists in applying a quantity of contact material containing effective impurities, donors and / or acceptors to a semiconducting body, whereupon the whole is heated in this way that a melt of the contact material forms on the semiconducting body, in which a small amount of semiconducting material dissolves, which crystallizes again after cooling with a content of impurities, so that it becomes a layer with a conductivity and / or a
Forms conductivity type which is different from that of the semiconducting body, on which layer the remaining solidified contact material is deposited.
In the case of crystal diodes, it is generally customary and, in view of the material properties, desirable to place the ohmic and the rectifying contact of semiconducting material opposite one another on both sides of the disk so that the contacts meet are at a minimum distance from each other. In the case of thin, semiconducting disks, the centering of the contacts is also obvious due to the fact that the electrical leakage resistance is minimal when the contacts are centered.
It has been found, however, that this type of construction can result in poor blocking characteristics if the semiconducting disk is thin, e.g. B. 100 li.
The invention is based on the knowledge that the high reverse current occurs because stresses arise in the semiconducting body during cooling, which cause cracks in thin disks that expand through the semiconducting disk from the alloy contact to the other side with the other contact which are filled with a humid atmosphere. which ion conduction enables this way. The fact that when such a crystal diode is attached in a high vacuum the reverse current drops considerably and assumes the normal value contributes to this knowledge. This difficulty arises in particular when the contact material and the semiconducting material are both brittle and have a large difference in the coefficient of expansion.
The invention aims to provide a simple construction in which the aforementioned difficulty is avoided. It is particularly important for the use of crystal diodes, in which the blocking characteristic in particular has to meet high requirements.
In a crystal diode according to the invention, the contacts on both sides of the disk are arranged opposite one another so that the geometric projection of the ohmic contact is perpendicular to the opposite side outside the boundary of the rectifying contact. In view of the finite depth of penetration of the cracks, this type of construction is particularly important for crystal diodes whose semiconducting disk is thinner than 150 fl. B. attach the ohmic contact in the form of a ring around the rectifying contact on the opposite side of the rectifying contact.
In a very simple embodiment of the crystal diode, both the ohmic and the
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rectifying contact by alloying z. B. a ball, a wire or a pill made of contact material attached. In this embodiment in particular, the above-mentioned shifting of the contacts is of great importance, since otherwise the stresses and cracks penetrate the semiconducting disk from both sides, beginning with the alloy contacts. By moving the contacts from the centered position over such a large distance that the minimum distance between
Projection and limitation is at least equal to the thickness of the semiconducting disk. the appearance of cracks can usually be completely avoided.
It is obvious, however, that the contacts should not be further apart than is necessary with regard to the blocking characteristic, since the shift brings about a reduction in the forward current.
The invention is particularly important for crystal diodes whose semiconducting disk is made of silicon, since silicon is a brittle material with a relatively low coefficient of expansion. while most of the contact materials or their alloys previously used for silicon
Materials with silicon, e.g. B. an alloy of 75 wt. -0/0 gold and 25 wt. -0/0 antimony or aluminum-silicon alloys are also brittle and have a relatively high coefficient of expansion.
Measurements on crystal diodes with a semiconducting silicon wafer of the p-type on which there is an ohmic alloy contact made of aluminum, a rectifying alloy contact made of an alloy of 75% by weight of gold and 25% by weight of antimony have shown that the occurrence of cracks can usually be completely prevented by moving the alloy contacts from the centered position over such a large distance that the minimum distance between the projection of the ohmic contact and the boundary of the rectifying contact is at least equal to the thickness of the disc , is preferably twice this strength or more, whereby the reverse current is reduced by about a factor of 100 or more,
while the forward current only decreases by a factor of 3 to 10, depending on the service life of the minority charge carriers in the semiconducting material.
The forward current only decreases significantly when the mean distance between the contacts is a few times the diffusion length of the minority charge carriers.
It should be noted that the invention relates only to crystal diodes and not to photocells and transistors. In these semiconducting electrode systems, the contacts can be shifted for completely different reasons than those which apply to crystal diodes. In a transistor z. B. to achieve a high current amplification factor, the rectifying contacts will be placed opposite one another so that the ohmic contact is to the side of these contacts, since the position opposite each of the two rectifying contacts is occupied; In the case of photodiodes, the ohmic contact is placed as close as possible to the edge of the semiconducting pane, since the radiation can penetrate the area around the barrier layer with as little weakening as possible.
The invention is explained in more detail with reference to a few figures in which some embodiments of a crystal diode according to the invention are shown.
1-3 show, in a longitudinal section, embodiments of a crystal diode according to the invention, and FIG. 4 shows a perspective view of a particular embodiment.
Fig. 1 shows an alloy diode. The semiconducting disk 1 consists of p-type silicon with a specific resistance of 20 ohms, cm and a thickness of about 100 li. A rectifying alloy contact 2 is attached to one side by melting contact material which consists of an alloy of 25% by weight of antimony and 75% by weight of gold. The penetration depth is about 30 u. A lead wire 3 made of nickel is soldered to this contact. On the other side of the semiconducting disk, displaced in relation to this contact, the ohmic alloy contact 4 is attached by melting aluminum wire.
The projection of this contact, which has a penetration depth of about 40 p, onto the opposite side is indicated in the section through the line AB.
The minimum distance d of the boundary from the projection is about 300 fil. The feed wire 6 made of copper is fastened to this aluminum contact 4 by means of a clamping contact 5 made of nickel.
The embodiment according to FIG. 2 corresponds on the whole to that according to FIG. 1 with the exception, however, that the ohmic alloy contact is replaced by a diffusion contact 4 and that the contacts are located closer to one another. This diffusion contact can, for. B. obtained in that a gallium layer is locally vapor-deposited on the semiconducting body 1 and the whole is then heated to 11000 C for a certain time, so that the gallium diffuses into the semiconducting disk. The contact point is then electrolytically copper-plated, after which a lead wire 7 made of copper is attached by soldering.
In Fig. 3, the ohmic contact consists of an alloyed ring 8 made of contact material. to which a lead wire 9 is attached. On the other side, within this ring, the rectifying contact 10 is attached, which is also provided with a lead wire 11.
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In the embodiment according to FIG. 4, the two ends of a U-shaped curved wire 12 made of contact material are fused onto the semiconducting body 15. The contact can e.g. B. can be used as an ohmic contact and is connected to a lead wire 13 at the connecting piece of the two ends. On the other hand, the rectifying contact 14 is provided between the two ends. 1en.
The effect of the invention can also be seen from the following data. In the case of the crystal diode according to FIG. 1, the reverse current at a reverse voltage of 80 V was less than 0.1 A, while the reverse current of the crystal diode with opposing, centered contacts, which diode was otherwise similar to the crystal diode according to FIG. 1, was 20 V was already 10 li A.
PATENT CLAIMS:
1. Crystal diode, which is made of a thin slice of semiconducting material, such as. B. silicon, which is provided on one side with an ohmic contact and on the other side with a rectifying contact, of which contacts at least one, in particular both are obtained by alloy, characterized in that the geometric projection of the ohmic contact is perpendicular on the opposite side is outside the limit of the rectifying contact.