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Halbleiterbauelement mit mindestens drei Elektroden und einem zum Teil aus Metall bestehenden Gehäuse
Es ist üblich, Halbleiterbauelemente, z. B. Transistoren, in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen unterzubringen, wobei das Halbleiterbauelement im Inneren des Gehäuses befestigt ist, während der elektrische Kontakt nach aussen entweder durch die Elektroden selbst oder durch diese kontaktierenden Elektrodenzuführungen erzielt wird. Dabei ist es bekannt, das H albleitersystem auf einem stempel- oder plattenförmigen Sockel des Gehäuses aufzusetzen, während der obere Teil des Gehäuses von einer mit dem als Träger des halbleitenden Systems dienenden Sockel luft-und feuchtigkeitsdicht verbundenen Glocke gebildet wird. Häufig ist bei Transistoren die Basiselektrode ringartig ausgebildet.
Bei der Kontaktierung und der Montage gewisser für Hochfrequenzzwecke einzusetzender Transistoren ergibt sich die Aufgabe, den infolge der besonderen Konstruktion solcher Transistoren, z. B. Mesatransistoren, erzielten Gewinn an Betriebsfrequenz nicht durch eine ungünstige Art der Kontaktierung bzw.
Montage zunichte zu machen. Vor allem müssen die äusseren Kopplungskapazitäten, die beim Betrieb eines Transistors grundsätzlich auftreten, klein sein, weil sonst beim Betrieb in Basisschaltung. die Kollektor-Emitterkapazität und beim Betrieb in Emitterschaltung die Kollektor-Basiskapazität zur Selbsterregung des Transistors führen und damit den Betrieb bei hohen Frequenzen erheblich beeinträchtigen kann. Es ergibt sich deshalb die Aufgabe, eine Montageart zu finden, bei der der Einfluss der besagten Kopplungskapazitäten möglichst klein wird.
Die sich mit der Lösung dieser Aufgabe beschäftigende Erfindung bezieht sich auf eine Transistoranordnung, insbesondere Mesa-oder Planartransistoranordnung, mit Gehäuse, bei der der-insbesondere mit seinerKollektorzone-an derStimseite einer zylindrischen, insbesondere stempelartig geformten Elektrodenzuführung befestigte Transistor mit mindestens zwei weiteren, gegeneinander isolierten Elektrodenzuführungen derart versehen ist, dass die konzentrischen Elektrodenzuführungen mit je einer Elektrode des Transistors leitend verbunden sind und die konzentrischen Elektrodenzuführungen und das Gehäuse rotationssymmetrisch zur Achse der zylindrischen Elektrodenzuführung angeordnet sind.
Diese Transistoranordnung ist nun im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass zwei im wesentlichen zueinander konzentrisch und koaxial angeordnete, aus isolierendem Material bestehende Ringe unterschiedlicher Grösse derart im Unterteil des Gehäuses vorgesehen sind, dass die durch die Öffnung des kleinsten und inneren Ringes geführte zylindrischeElektrodenzaführung und die zwischen den beiden isolierenden Ringen hindurch- geführte ringförmige Elektrode bzw. Elektrodenzuführung hermetisch miteinander verbunden sind und dass eine der ringförmigen Zuleitungen als Schirmung gegen die andere zylindrische Zuführung ausgebildet ist, indem die ringförmige Elektrodenzuführung im allgemeinen näher an das Transistorsystem als die an- dere - abzuschirmende - ringförmige Elektrodenzuführung hingeführt ist.
Der Begriff "ringartig" besagt, dass die Verwendung nicht nur eines runden, insbesondere kreisrunden Ringes, sondern auch die Verwendung dreieckiger, viereckiger und anderer"Ringformen"zulässig ist. Ferner darf die Peripherie des Ringumfanges auch eine von der Peripherie der Ringöffnung verschiedene Gestalt besitzen. Schliesslich ist es zulässig, wenn die Gestalt der Ringfläche längs der die "ringartige" Berührung zwischen der ringartigen Elektrode bzw. Elektrodenzuleitung und dem Gehäuse stattfindet, eine von der Gestalt der Ringelektrode bzw. Elektrodenzuführung verschiedene Gestalt besitzt.
Die bevorzugte Ausführungsform, die vor allem auch der angestrebten möglichst raumsparenden
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Bauart entgegenkommt, besteht jedoch darin, dass sowohl das Gehäuse. als auch der stempel- oder plattenförmige Träger des Halbleitersystems und schliesslich die ringartigen Elektroden bzw. Elektrodenzuführungen zueinander koaxial angeordnet sind und dabei im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse, zu der gleichzeitig das Halbleitersystem zentriert ist, ausgebildet sind.
Die vorstehenden Ausführungen ergänzend, werden in der folgenden Übersicht noch einmal die wesentlichen Eigenschaften eines der Lehre der Erfindung genügenden Halbleiterbauelementes, insbesondere Transistors, zusammengestellt :
1. Zwei (oder mehrere) konzentrische ringförmige Elektrodenzuführungen und zwei (oder mehrere) zu diesen Elektrodenzuführungen konzentrische Isolierringe sind derart miteinander unter Entstehung eines den Boden des Transistorgehäuses bildenden Tellers oder Napfes miteinander verbunden, dass sich an die zylindrische Elektrodenzuführung zunächst ein Isolierring, dann die erste der konzentrischen Elektrodenzuführungen,
dann der zweite Isolierring und schliesslich die zweite der konzentrischen Elektrodenzuführungen anschliesst und dass ausserdem die dem zweiten Isolierring abgewendete Seite der zweiten Elektrodenzuführung mit einem das Gehäuse des Transistors abschliessenden Deckel, insbesondere von glockenoder napfförmiger Gestalt, verbunden ist.
. Für die Montage ist es von erheblichem Vorteil, wenn die Anschlussstellen für die Emitterelektrode und für die Basiselektrode sich in einerEbene oder nahezu in einer Ebene befinden. Dies gilt insbesondere für den noch näher zu beschreibenden Fall, dass die ringförmigen Elektrodenzuführungen mittels dünner Kontaktierungsdrähte mit den ihnen zugeordnecen Elektroden verbunden sind. Befinden sich nämlich die genannten Anschlussstellen in einer Ebene, so ist es wesentlich einfacher, diese Drähte mittels Thermokompression zu befestigen. Anderseits sollen die beiden Elektrodenzuführungen, wenigstens der mit dem Kontaktierungsdraht unmittelbar zu verbindende Teil, etwas oberhalb der Elektroden liegen, damit die aufgespannten Kontaktierungsdrähte nicht die Halbleiteroberfläche an unerwünschten Stellen berühren.
3. Für den Betrieb in Basisschaltung ist die Kollektor-Emitterkapazität, für den Betrieb in Emitterschaltung ist die Basis-Kollektorkapazität die für das Auftreten wilder Schwingungen entscheidende Grösse.
Es empfiehlt sich deshalb, beim Betrieb in Basisschaltung die Anwendung so auszugestalten, dass die Basiselektrodenzuführung den Emitter gegen den Kollektor abschirmt, während umgekehrt beim Betrieb in Emitterschaltung die Emitterelektrodenzuführung als Schirm zwischen Basis und Kollektor verwendet wird und zu diesem Zweck an Masse liegt.
4. Die Ausgestaltung einer solchen Schirmung geschieht zweckmässig, indem a) die als Schirm dienende Elektrodenzuleitung zwischen den bei den andern Elektrodenzuleitun - gen angeordnet und bezüglich ihrer Ringfläche so gewählt wird, dass möglichst wenig elektrische
Kraftlinien zwischen den beiden gegeneinander abzuschirmenden Elektrodenzuführungen verlau- fen ; b) bei Verwendung eines metallischen Gehäusedeckels, der im Interesse einer Erleichterung des weiteren Anschlusses vorteilhaft ist, kann man die an Masse zu legende der beiden Elektrodenzu- führungen mit einem zusätzlichen Abschirmblech versehen, welches in den Raum zwischen Ge- häusedeckel und Transistor hineinragt und auf diese Weise eine zusätzliche Abschirmung liefert :
c) die als Schirm zu verwendende ringförmige Elektrodenzuführung wird möglichst nahe an das
Transistorsystem herangeführt (auf jeden Fall näher als die abzuschirmende ringförmige Elektro- den Zuführung) ; d) da aus Gründen der geringen Grösse der üblichen Transistoren der Mesa-und Planarbauart eine unmittelbare Berührung der Elektrodenzuführungen mit der ihr zugeordneten Elektrode in den mei- sten Fällen nur bei derKollektorelektrode möglich ist, erfolgt die unmittelbare Kontaktierung der bei den übrigen Elektroden des Transistorsystems mittels dünner Drähte, die vorzugsweise nach dem
Verfahren der Thermokompression aufgebracht werden, und die die betreffende Elektrode mit der ihr zugeordneten ringförmigen Elektrodenzuführung verbinden.
Diese bereits erwähnte Art der Verbindung stellt ausserdem ein Mittel dar, welches die Kapazitäten wenig, dagegen die Zuleitungsinduktivitäten erheblich, u. zw. in günstigem Sinne, beeinflusst. Insbesondere wird man, um eine geringere Induktivität der Anordnung zu erreichen, einmal mit möglichst kurzen Drähten die Kontaktierung zu erreichen suchen, während anderseits zungenartig nach innen sich erstreckende Fortsätze der Ringe bzw. der Anwendung mehrerer Kontaktierungsdrähte zwischen der gleichen Transistorelektrode und der gleichen Elektrodenzuführung im Sinne einer starken Reduktion der Zulei- tungsinduktivitäten wirken.
e) Da unter den beschriebenen Gesichtspunkten sich eine Anordnung ergibt, bei der die eine ring-
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untere, die Rolle des Schirmes übernehmende Elektrodenzuführung sich scheibenartig nach aussen aus dem Transistorgehäuse heraus erstrecken zu lassen. Die äusseren Teile der Scheibe erleichtern die äussere Kontaktierung und können gegebenenfalls zur besseren Kühlung eine besondere Ausge- staltung (ebenso wie die zylindrische, insbesondere stempelartig Elektrodenzuführung) erhalten.
Da derartige Ausgestaltungen hinreichend bekannt sind, ist ein näheres Daraufcingehen nicht. er- forderlich.
Die mechanische Stabilität der Anordnung erfährt eine erhebliche Verbesserung, wenn wenigstens eine der beiden Elektrodenzuführungen eine entsprechende Profilierung erhält. Dabei ist es besonders empfehlenswert, wenn zu diesem Zweck die untere der ringförmigen Elektrodenzuführungen an ihrer
Durchführungsstelle zylindrisch und parallel zur gemeinsamen Achse der Anordnung verläuft.
In der Zeichnung, in der die wesentlichen Einzelheiten der Erfindung dargestellt sind, ist die Anord- nung eines Mesatransistors in seinem Gehäuse entsprechend der Lehre der Erfindung dargestellt. Dabei ist das Transistorsystem mit seiner Kollektorelektrode bzw. der Kollektorzone an der stempelförmigen Elek- trodenzuführung befestigt, z. B. festgelötet oder festlegiert, während die ringförmigen Zuführungen der
Kontaktierung der Emitterelektrode und der Basiselektrode dienen.
Eine entsprechend der Lehre der Erfindung durchgeführte Montage eines Mesatransistors ist vorzugs- weise derart ausgestaltet, dass der stempel- oder plattenförmige Träger des Halbleitersystems den Kollek- tor kontaktiert, während die beiden ringförmigen Gebilde als Elektrodenzuleitung mit dem Emitter bzw. mit der Basis des Mesatransistors leitend verbunden sind. Die leitende Verbindung kann entweder unter unmittelbarer Berührung zwischen Halbleiterelektrode und ringförmiger Elektrodenzuleitung oder unter
Verwendung eines leitenden Zwischengliedes, z. B. einer mit je einer der Elektroden des Halbleiter- systems in Kontakt gebrachten Spitze vorgenommen sein. Bevorzugt wird hiebei wegen der Kleinheit des
Transistors ein dünner, z.
B. aus Gold oder Goldlegierung bestehender Draht, der sowohl mit der ringarti- gen Elektrodenzuführung als auch mit der Elektrode an derHalbleiteroberfläche (vorzugsweise durch Ther- mokompression) fest verbunden ist. Ein derart kontaktierter Mesatransistor ist bei der in den Figuren darge- stellten Montageart entsprechend der Lehre der Erfindung verwendet.
Ein derart eingebauter Mesatransistor ist in Fig. l im Längsschnitt und in Fig. 2 in Draufsicht darge- stellt nach Entfernung der Deckkappe des Gehäuses.
Der Mesatransistor 2 ist mit seiner Kollektorzone sperrfrei auf dem als Kollektorelektrode bzw.
Kollektoranschluss dienenden stempelförmigen Träger festgelötet oder festlegiert. Die Kollektorelektro- de 1 weist im oberen Teil einen Kragen la auf, auf welchem ein aus isolierendem Material beste- hender, mit dem oberhalb des Kragens la befindlichen Teil der Kollektorelektrode l verschmolz & - ner oder anderweitig hermetisch verbundener Ring 3 angebracht ist, der etwa in der Höhe der Unterseite des Mesatransistors abgeschnitten ist.
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wendet, indem dieses mit seiner Kollektorzone oder-elektrode sperrfrei mit der Stirnseite der stempelförmigen Elektrodenzuführung, insbesondere zu deren Achse zentriert angelötet ist.
Ausserhalb dieses Ringes 3 ist ein ähnlicher, aus isolierendem Material bestehender Ring 4 angebracht. Zwischen den beiden Ringen 3 und 4 ist der ringförmige Basiselektrodenanschluss 5 ringartig hindurchgeführt. Ein weiterer als Emitteranschluss dienender Metallring 6 ist ringartig zwischen dem isolierenden Ring 4 und dem Gehäusedeckel 9 des Gehäuses hindurchgeführt.
Um den gewünschten hermetischen Abschluss des Gehäuses zu erzielen, verwendet man für die Isolierringe 3 und 4 zweckmässig (dunkles) Glas oder Keramik als Werkstoff, so dass die Ringe vakuumdicht mit den angrenzenden Metallteilen, nämlich den ringartigen Elektrodenanschlüssen 5 und 6 sowie der Kollektorelektrode 1 verschmolzen werden können. Um die nötige Festigkeit der Verbindung zu gewährleisten, empfiehlt es sich, darauf zu achten, dass das Material der Isolierteile 3 und 4 einen möglichst dem der (aus demselben Material bestehenden) Metallteile 1, 5 und 6 angeglichenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Da der Gehäusedeckel 9 nur mit dem Metall des Emitterelektrodenanschlussringes 6 in Verbindung gebracht ist, was insbesondere durch Verlöten geschieht, ist eine derartige Forderung für den Gehäusedeckel 9 nicht notwendig.
Der Emitteranschlussring 6 ist im wesentlichen eben und umgibt das System des Mesatransistors 2 (ebenso wie der Basiselektrodenanschlussring 5) koaxial. Mindestens die Oberseite des Elektrodenanschlussringes 6 für die Emitterelektrode 2a sollte etwas höher als die Ebene der Oberseite des Mesatransistors 2 (Oberfläche des Mesaberges des Transistors) liegen, wenn die Emitterelektrode 2a, wie bei den in der Zeichnung dargestellten Beispielen durch einen dünnen Draht 7', insbesondere aus Gold oder Goldlegierung, verbunden ist.
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Der Emitterelektrodenanschluss 6, dessen Gestalt insbesondere aus Fig. 2 klar erkennbar ist, weist einen zungenartigen Fortsatz 6a nach innen auf, an dem der Golddraht 7", der die Emitterelektrode 2a mit dem Emitterelektrodenanschluss 6 verbindet, befestigt ist.
Im Gegensatz zum Emitterelektrodenanschlussring 6 ist der Basiselektrodenanschlussring 5 nicht eben, sondern besitzt, wie Fig. 1 klar erkennen lässt. eine ausgeprägte Profilierung. Diese Profilierung dient vor allem dazu, die mechanische Stabilität der Gesamtanordnung zu erhöhen. Zum andern aber wirkt sie im Sinne der angestrebten Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften der Montage. Dabei ist auch hiervorgesehen, dass die Oberseite des inneren Teiles des Basiselektrodenanschlussringes 5 min- destens die Höhe der Oberseite des Mesatransistors 2 hat, um die Basiselektrode 2b mit dem Basisanschlussring 5 mittels eines dünnen Golddrahtes 7 kontaktieren zu können, ohne dass es zu einer Berührung mit der Kollektorzone des Transistors kommen kann.
Im übrigen sind die Ausführungen bezüglich der Kontaktierung der Emitterelektrode auf die Kontaktierung der Basiselektrode übertragbar. Der Basisring erstreckt sich, wie die Zeichnung erkennen lässt, radial weit nach aussen, teils um den elektrischen Anschluss der Basis beim Einbau in ein Gerät zu erleichtern, teils um eine entsprechende Kühlung des Systems während des Betriebes zu erhalten.
Bei der Bemessung der Einzelteile des Gehäuses und der Anschlüsse empfiehlt es sich darauf zu achten, dass die Anschlussstellen für Emitter, Kollektor und Basis möglichst in einer Ebene liegen, was stark zur Verminderung der Wirkung der Kopplungskapazitäten beiträgt. Bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist dies mit guter Annäherung verwirklicht.
Eine weitere Verminderung'der Kopplungskapazitäten kann in Weiterbildung der Erfindung durch Verwendung von Abschirmblechen erfolgen. Für den am häufigsten vorkommenden Fall der Verwendung des Transistors in Basisschaltung liegt die Basis des Transistors an Masse. In diesem Falle wird dasA. bschirm- blech zweckmässig mit demBasiselektrodenanschlussring 5 verbunden, wie dies auch in denFig. l und 2 dargestellt ist. Liegt hingegen der Transistor mit seiner Emitterelektrode an Masse (Emitterschaltung), so wird das Abschirmblech zweckmässig mit demEmitteranschlussring verbunden. In diesem Falle kann genau die gleiche Konstruktion, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, Verwendung finden.
Zum Unterschied zu dem in der Zeichnung dargestellten Fall wird dann die Emitterelektrode mit dem Elektrodenanschlussring 5 und die Basiselektrode mit dem Elektrodenanschlussring 6 verbunden.
Bei der Anordnung des Schirmbleches 8, das mit dem Anschlussring 5 durch Punktschweissung verbunden sein kann, empfiehlt es sich darauf zu achten, die Abschirmung möglichst dicht über der Oberseite desMesatransistors anzubringen und so zu wählen, dass das Abschirmblech das Transistorsystem vollständig überdeckt. Auf diese Weise wird eine elektrische Wirkung auf Grund der Kapazität zwischen Gehäuse (insbesondere Gehäusedeckel 9) und dem Transistor 2 weitgehend vermieden, da das Abschirmblech die kapazitive Kopplung zwischen den sich grossflächig gegenüberstehenden Anschlüssen verhindert.
Um die Zuleitungsinduktivitäten zu reduzieren, wird der Emitterelektrodenanschluss mit relativ grossem Leitungsquerschnitt (als Ring) möglichst nahe an das Transistorsystem herangeführt, was durch die Zurige 6a begünstigt wird. Die Zunge verkürzt nämlich die Länge des Zuführungsdrahtes 7 und damit dessen Induktivität. Falls erwünscht, kann an der andern ringförmigen Elektrodenzuführung (die dem Transistor wesentlich näher kommt) ebenfalls eine Zunge vorgesehen sein.
Die Deckkappe oder der Gehäusedeckel 9, der zweckmässig aus Metall besteht, dient im Falle der in der Zeichnung dargestellten Anordnung als äusserer Emitteranschluss, über den die zum Betrieb der Anordnung notwendige Emitterspannung zugeführt wird. Der oberste Teil dieses Anschlusses kann, wie in Fig. l angedeutet, ein Schraubgewinde aufweisen. Sie lässt genügend Raum, um über dem Abschirmblech noch der Stabilisierung des Transistors dienende Stoffe aufnehmen zu können.
Fig. 2 stellt im wesentlichen die gleiche Anordnung wie Fig. l (nach Entfernung desGehäusedeckels 9 und des Schirmbleches 8) von oben gesehen dar. DerMesatransistor ist jedoch im Falle der Fig. 2 mit zwei Basiselektroden 2b und einer Emitterelektrode 2a ausgerüstet. Die beiden Basisanschlussdrähte 7 gehen von den Basiselektroden 2b zum Basiselektrodenanschluss 5, während die Emitterelektrode 2a mitderZunge6adesEmitteranschlussringesüberdenDraht 7* verbunden ist.
Um auf die Grössenordnung solcher Vorrichtungen hinzuweisen, wird bemerkt, dass gewöhnlich der zylinderförmige Kollektoranschluss 1 einen Durchmesser von etwa 1 mm und eine Länge von etwa 0. 8 bis 1 cm hat. Das an der Stirnseite des Kollektoranschlusses befestigte Halbleitersystem besitzt eine Fläche von 0. 5 mm und eine Stärke von 0, 1 bis 0, 2 mm. Die radiale Ausdehnung des Basisringes ist etwa 1 cm, der Radius und die Höhe der Gehäusekappe 9 etwa 0, zo cm. Die Anschlüsse für Emitter, Kollektor und Basis sind weniger als 0, 5 mm von einer mittleren Ebene entfernt.
Fig. 2 weist im Vergleich zu Fig. l noch eine weitere Besonderheit auf, da die Emitterelektrode 2a
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mittels zweier Drähte 7 mit der Zunge 6a des Emitterelektrodenanschlusses verbunden ist, wobei beideDrähte 7 etwas auseinanderlaufen. Durch eine solche Massnahme kann eine weitere Verringerung
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der Montage erreicht werden, insbesondere dann, wenn die ZungeEmitter- und Basiselektroden vorhanden sind, vorteilhaft.
Eine Anordnung gemäss der Erfindung ist stets dann vorteilhaft, wenn es sich um die Montage eines Mesa- oder Planartransistors für kurze Wellen handelt.
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geformten Elektrodenzuführung befestigte Transistor mit mindestens zwei weiteren, gegeneinander isolierten Elektrodenzuführungen derart versehen ist, dass die konzentrischen Elektrodenzuführungen mit je einer Elektrode des Transistors leitend verbunden sind und die konzentrischen Elektrodenzuführungen und das Gehäuse rotationssymmetrisch zur Achse der zylindrischen Elektrodenzuführung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im wesentlichen zueinander konzentrisch und koaxial angeordnete, aus isolierendem Material bestehende Ringe (3,4) unterschiedlicher Grösse derart im Unterteil des Gehäuses vorgesehen sind, dass die durch die Öffnung des kleinsten und inneren Ringes (3)
geführte zylindrische Elektrodenzuführung (1) und die zwischen den beiden isolierenden Ringen (3,4) hindurchgeführte ringförmige Elektrode bzw. Elektrodenzuführung (5) hermetisch miteinander verbunden sind und dass eine (5) der ringförmigen Zuleitungen (5,6) alsSchirmung gegen die andere zylindrische Zuführung (6) ausgebildet ist, indem die ringförmige Elektrodenzuführung (5) im allgemeinen näher an das Transistorsystem als die andere - abzuschirmende - ringförmige Elektrodenzuführung (6) hingeführt ist.
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