DE1052572B

DE1052572B - Elektrodensystem, das einen halbleitenden Einkristall mit wenigstens zwei Teilen verschiedener Leitungsart enthaelt, z. B. Kristalldiode oder Transistor

Info

Publication number: DE1052572B
Application number: DEN9624A
Authority: DE
Inventors: Jacobus Asuerus Ploos Johannes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-10-23
Filing date: 1954-10-20
Publication date: 1959-03-12
Also published as: NL87784C; US2899610A; FR1110245A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrodensystem, das einen halbleitenden Einkristall mit wenigstens zwei Teilen verschiedener Leitungsart enthält, z. B. eine Kristalldiode oder einen Transistor. Dieser Einkristall kann, z. B. durchziehen aus einer Schmelze hergestellt sein, wobei Grenzschichten verschiedener Leitungsart dadurch entstehen können, daß Donatoren oder Akzeptoren der Schmelze zugesetzt werden. Auf der Oberfläche des Einkristalls an einer oder mehreren Stellen werden Elektroden aus einem solchen Material aufgeschmolzen, daß sie durch Lagerung mit dem Kristall zum Entstehen von Teilen verschiedener Leitungsart führen.

DieErfindung bezweckt, unter anderem die Wärmeableitung aus einem solchen System zu verbessern und folglich eine höhere elektrische Belastung zu ermöglichen.

Es ist üblich, bei solchen Systemen den halbleitenden Einkristall auf einem Träger zu befestigen und mit den anderen Teilen biegsame Leitungen zu verbinden, so daß mechanische Spannungen im halbleitenden Einkristall, der gewöhnlich aus einem sehr spröden Kristall aus Germanium oder Silizium besteht, vermieden sind.

Der vorliegenden Anordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Wärmeableitung durch solche biegsamen Leitungen schlecht ist, und daß es möglich ist, nicht einen Teil, sondern wenigstens zwei Teile unmittelbar, d. h. ohne Vermittlung biegsamer Leitungen, mit Kühlkörpern zu verbinden, ohne daß die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt wird.

Nach der Erfindung sind wenigstens zwei Teile des halbleitenden Einkristalls je unmittelbar mit einem Kühlkörper verbunden, und die Kühlkörper sind außerdem gegenseitig durch eine oder mehrere Isolierbrücken starr verbunden. Unter einer starren Verbindung wird, hier eine Verbindung verstanden, die in mechanischer Hinsicht viel stärker ist als diejenige mittels des halbleitenden Einkristalls.

Es ist bei Trockengleichrichtern, z. B. bei Selengleichrichtern, bereits bekannt, eine der Elektroden und bzw. oder der Elektrodenauflagen in Form einer Tasche auszubilden, die zur Aufnahme eines Kühlmittels dient. Die gleich richtenden Schichten und ihre Deckschichten befinden sich außerhalb der Tasche und grenzen bei Gleichrichtern aus mehreren Zellen an die Außenoberfläche der nächsten Tasche. Der Zweck dieser Anordnung besteht außer in einer guten Kühlmögli'chkeit in einem Schutz der Gleicihridh-terzellen vor aggressiven größeren Einflüssen. Zu diesem Zweck sind die Gleichrichterzellen mit einer vorzugsweise aus Lack bestehenden Isoliermasse nach außen abgedichtet. Abgesehen davon, daß bei diesen bekannten Gleichrichtern die halbleitenden Schichten nicht mono-Elektrodensystem,
das einen halbleitenden Einkristall

mit wenigstens zwei Teilen
verschiedener Leitungsart enthält,
z. B. Kristalldiode oder Transistor

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 23. Oktober 1953

Johannes Jacobus Asuerus Ploos van Amstel,

Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

kristallin sind wie der halbleitende Körper des Elektrodensystems nach der Erfindung, liegen sie zwischen plattenförmigen Teilen, und der Isolierlack dient nur zur Abdichtung, dagegen kann er keine starre Verbindung zwischen den angrenzenden Metallteilen bewirken, d. h. er kann nicht die Aufgabe erfüllen, die den Isolierbrücken bei dem Elektrodensystem nach der Erfindung zukommt.

Die bei der vorliegenden Anordnung verwendeten Kühlkörper können die Form von Platten haben, die über einen Teil ihrer Oberfläche gegenseitig parallel laufen, wobei der halbleitende Einkristall sowie eine oder mehrere Isolierbrücken zwischen den Parallelteilen angebracht sind. Der halbleitende Einkristall wird vorzugsweise derart angeordnet, daß die Grenzen zwischen den Teilen verschiedener Leitungsart sich möglichst parallel zu den erwähnten Plattenteilen erstrecken.

In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Kühlplatten zwecks Verbesserung¹ des Wärmekontaktes mit. der Umgebung teilweise umzufalten.

Die Erfindung und einige Ausführungsformen werden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer zwischen zwei parallelen Kühlplatten angeordneten Kristalldiode;

Fig. 2 zeigt schaubildlich eine Variante der Bauart nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schaubildlich eine dritte Ausführung einer Kristall diode, und

Fig. 4 zeigt diese Diode, in größerem Maßstab, in Draufsicht;

Fig. 5 ist eine schaubildliche Darstellung eines Transistors mit Kühlplatten, und Fig. 6 zeigt einen Schnitt dieses Transistors;

Fig. 7 und 8 zeigen zwei Transistoren in der Seitenansicht bzw. schaubildlich;

Fig. 9 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Kristalldiode;

Fig. 10 und 12 sind Durchschnitte des halbleitenden Körpers mit den angrenzenden Teilen in vergrößertem Maßstab.

Die Kristalldiode nach Fig. 1 besteht aus zwei Metallen, z. B. Kupferplatten 1 und 2, die durch Isolierbrücken 3 und 4 starr miteinander verbunden sind. Diese Brücken können aus einem Isolierkörper, z. B. einer Keramikscheibe, bestehen, die mittels eines thermoerhärtenden Kitts mit den Platten verbunden ist. Zwischen den Platten liegt der halbleitende Einkristall 5 mit einer aufgeschmolzenen Elektrode 6. Der Einkristall kann aus Germanium der η-Art und die Elektrode kann aus Indium bestehen. An der Unterseite des Kristalls 5 ist eine Metallplatte 7 mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie der von Germanium gelötet und dient dazu, zu vermeiden, daß der. halbleitende Einkristall infolge seines abweichenden Ausdehnungskoeffizienten gegenüber Kupfer zerspringt. Die Platte kann aus einer 54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt enthaltenden Legierung bestehen.

Das Ganze ist mittels eines niedrigschmelzenden Lots, z. B. eines Woodschen Metalls, zwischen den Platten 1 und 2 befestigt. Diese Befestigung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß jede Platte zunächst mit einer dünnen Woodschen Metallschicht 8 versehen und dann der Kristall 5 mit der Elektrode 6 und der Platte 7 zwischen die Platten 1 und 2 geschoben wird, wobei gleichzeitig das Woodsche Metall durch heiße Luft geschmolzen wird.

Es wurde festgestellt, daß bei den normal auftretenden Temperaturen die mechanischen Spannungen in dem Kristall 5 und der Elektrode 6 keine nachteiligen Folgen haben.

Die Stromzuführung muß hier durch die Platten 1 und 2 erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine derartige Diode, bei der aber die Platten 1 und 2 durch Flanschbuchsen 9 und mehrere Isolierscheiben 10 gegenseitig verbunden sind.

Es ist einleuchtend, daß der Kristall 5 und die Elektrode 6 vor der Einwirkung der Atmosphäre durch Umgießung dieser Teile mit einer Abdichtungsmasse geschützt werden können. Zu diesem Zweck eignen sich besonders die Äthoxylinharze.

Die Bauart nach Fig. 3, die in größerem Maßstab, in Draufsicht, nochmals in Fig. 4 dargestellt ist, entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß die Platten 1 und 2 am Rand rechtwinklig umgebogen sind, so daß sie sich leichter auf einer Grundplatte befestigen lassen.

Die Fig. 5 und 6 stellen einen Transistor dar, der aus drei Platten 11, 12 und 13 besteht, die am Rand umgebogen und starr aufeinander befestigt sind. Als Beispiel der Befestigung sind Isolierscheiben 14 und 15 zwischen den Platten 11. und 12 dargestellt. Diese 7a Scheiben sind zwischen den Platten festgekittet. Zwischen den Platten 11 und 13 sind Keramikkörper

16 dargestellt, die gleichfalls festgekittet sein können. Der eigentliche Transistor besteht aus einem halbleitenden Einkristall 17 mit zwei Elektroden 18 und

19. Der Körper 17 trägt ferner eine Stromzuleitung

20, die mit dem Körper verlötet sein kann.

Die Herstellung des Transistors erfolgt auf ähnliche Weise wie diejenige, welche an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Nachdem die Platten 11, 12 und 13 miteinander verbunden und stellenweise mit dünnen niedrigschmelzenden Lotschichten 21, 22 und 23 versehen sind, wird der Kristall 17 mit den Teilen 18, 19 und 20 vorsichtig zwischen die Platten geschoben. Gleichzeitig wird das Lot durch heiße Luft geschmolzen. Schließlich kann der Kristall in eine Schutzmasse 24 eingegossen werden.

Der Transistor nach Fig. 7 ist, ebenso wie die Diode nach Fig. 1, mit Hilfe von zwei Kühlplatten 1 und 2 aufgebaut, die am Rand bei 3 starr miteinander verbunden sind. Der halbleitende Einkristall 17 ist hier aber nicht zwischen den Platten 1 und 2 befestigt, sondern durch Vermittlung einer aus der oben angegebenen Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehenden Platte 31 am Rand der Platte 1 befestigt. Die Elektrode 18 ist durch Woodsohes Metall 21 auf der Platte 2 festgelötet, während die Elektrode 19 über eine Leitung 32 mit einem Kontakt 33 verbunden ist, dar an einem von der Platte 2 unterstützten Isolator 34 befestigt ist.

Der Transistor nach Fig. 8 unterscheidet sich von den vorherigen darin, daß der halbleitende Einkristall

17 in einer öffnung der Platte 1 festgelötet ist. Die Wärmeableitung kann hier daher günstiger sein.

Die Transistoren nach den Fig. 7 und 8 bieten den Vorteil, daß die Kapazität zwischen der Elektrode 19 und den mit dieser verbundenen Leitungen, gegenüber den anderen Teilen niedrig sein kann.

Es ist einleuchtend, daß bei diesen Transistoren als auch bei den Dioden nach den Fig. 3, 4 und 7 der halbleitende Einkristall wieder in eine Abdichtungsmasse eingegossen sein kann.

Schließlich .ist in Fig. 9 wieder eine Diode dargestellt. Der halbleitende Einkristall besteht hier aus einer Kugel 41, z. B. aus Germanium der η-Art. Auf einer Seite der Kugel 41 ist eine dünne Schicht 42 eines Metalls wie Indium aufgeschmolzen, die einen pn-Überganig herbeiführt, auf der anderen Seite ist eine Lötverbindung 43, die einen Ohmschen Kontakt ergibt, z. B. aus Zinn, angebracht. Die Platten 1 und 2 können öffnungen 44 aufweisen, die die Kugel und das Lötmaterial aufnehmen können.

Zur Herstellung des pn-Überganges ist im allgemeinen eine Erhitzung bis auf eine Temperatur von etwa 500° C erforderlich. Diese Wärmebehandlung kann von der Befestigung der Kugel zwischen den Platten durchgeführt werden, und in diesem Falle brauchen die Isolierbrücken 3 und 4 nicht gegen hohe Temperatur beständig zu sein. Es ist auch möglich, die Wärmebehandlung nach der Anbringung der Kugel durchzuführen. In diesem Falle müssen die Isolierbrücken eine · hohe Temperatur aushalten können. Sie können dann z. B. aus Keramikmaterial, Glas oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt werden.

Es wurde bereits bemerkt, daß es zweckmäßig ist, den halbleitenden Einkristall derart anzuordnen, daß die Grenzen zwischen den Teilen verschiedener Leitungsart parallel zu den Kühlplatten sind. Dies ist näher durch die Fig. 10 bis 12 illustriert, die verschie-

dene Ausführungsformen des halbleitenden Einkristalls in vergrößertem Maßstab darstellen.

Beim Transistor nach Fig. 10 ist der halbleitende Einkristall 17 mit zwei einander gegenüberliegenden, aufgeschmolzenen Elektroden 18 und 19 versehen. Wenn der Körper aus Germanium der η-Art besteht, können die Elektroden aus Indium hergestellt werden. Nachdem das Ganze einer Wärmebehandlung unterworfen ist, z. B. bei 500° C, ist das Indium so stark mit dem Germanium legiert, daß die Elektroden in die Oberfläche des letzteren eingedrungen sind. Nach der Koagulierung bestehen wenigstens diejenigen η-Teile der Elektroden 18 und 19, welche an das Material des ursprünglichen Körpers angrenzen, aus einem Halbleiter der p-Art. Um die mechanischen Spannungen im Kristall 17 möglichst günstig zu verteilen, ist es erwünscht, die Grenzen 51 und 52 zwischen den Teilen 17-18 und 17-19 parallel zu den Kühlplatten 11 und 12 zu legen.

Fig. 11 zeigt einen nach dem Ziehverfahren hergestellten Transistor. Der halbleitende Einkristall 61 besitzt drei Teile 62, 63 und 64 entgegengesetzter Leitungsart, nämlich auffolgend von der pnp- oder der npn-Art. Der Kristall ist durch Lot 65 mit zwei aus der oben angegebenen Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellten Plättchen 66 verbunden, die iihreirsei'ts durch Woodsches Metall 67 an den Kühlplatten 1 und 2 befestigt sind. Auch hier liegen die Grenzen zwischen den Teilen 62, 63 und 64 parallel zu diesen Platten.

Die Diode nach Fig. 12 entspricht nahezu derjenigen nach Fig. 9, nur mit dem Unterschied, daß die Teile 42 und 43, die aus Indium bzw. Zinn bestehen können, hier durch Vermittlung eines niedrigsöhmelzenden Metalls 8 an den Kühlplatten 1 und 2 befestigt sind. Die· Grenzen 71 und 72 zwischen den Teilen 41-42 und 41-43 sind möglichst parallel zu den Kühlplatten 1 gelegt.

Wenn in Fällen, wie in den Fig. 10 und 12 dargestellt, diese Grenzen eine mehr oder weniger gekrümmte Form haben, so bedeutet dies, daß die Symmetrieachse X-X des halbleitenden Einkristalls senkrecht zu den angrenzenden Teilen der Kühlplatten steht.

dener Leitungsart enthält, z. B. Kristalldiode oder Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Teile des halbleitenden Einkristalls je unmittelbar mit einem Kühlkörper verbunden sind und die Kühlkörper außerdem durch eine oder mehrere Isolierbrücken starr miteinander verbunden sind.

2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper die Form von Platten haben, die über einen Teil ihrer Oberfläche parallel zueinander laufen, und daß der halbleitende Einkristall und wenigstens eine Isolierbrücke zwischen den parallelen Teilen angebracht sind.

3. Elektrodensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Einkristall derart angeordnet ist, daß die Teile verschiedener Leitungsart möglichst parallel zu den parallelen Teilen der Platten verlaufen.

4. Elektrodensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten teilweise umgebogen sind.

5. Transistor nach einem der- vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem halbleitenden Einkristall besteht, der an einander gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektroden versehen ist und mittels dieser Elektroden zwischen den parallelen Teilen zweier Kühlplatten angebracht ist und der halbleitende Körper selbst unter Vermittlung einer Stromzuleitung mit einer dritten Kühlplatte verbunden ist, die mit einer der erstgenannten hermetisch verbunden ist.

6. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem halbleitenden Einkristall, der an einander gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektroden versehen ist sowie aus zwei Kühlplatten besteht und daß der halbleitende Einkristall am Rand mit einer Kühlplatte und mittels einer Elektrode mit der anderen Kühlplatte verbunden ist, während die zweite Elektrode durch Vermittlung einer Leitung mit einem an einer der Kühlplatten isoliert angebrachten Kontakt verbunden ist.

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrodensystem, das einen halbleitenden Einkristall mit wenigstens zwei Teilen verschie-In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 883 479;
USA.-Patentschrift Nr. 2 406 405;
»ETZ«, Bd. 71 (1950), S. 135.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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