Gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung Die Erfindung
bezieht sich auf eine gasdicht gekapselte elektrische Halbleiteranordnung mit einkristallinem
Sperrschichthalbleiterelement und an Stelle von Luft mit betriebsmäßiger Stickstoffüllung
des Gehäuses. Bekanntlich pflegt man. Halbleitergeräte, die als Gleichrichter, Transistoren
od. dgl. verwendet werden, luftdicht einzukapseln, damit ihre elektrischen Eigenschaften
nicht durch atmosphärische Einflüsse verschlechtert werden. Der Einfluß der gewöhnlichen
atmosphärischen Luft kann nämlich a) zu einer Verminderung der Sperrfähigkeit führen,
b) zu einer Steigerung der Oberflächenrekombination, die vor allem beim Transistor
wegen der daraus resultierenden Abnahme des Stromverstärkungsfaktors unerwünscht
ist.Gas-tightly encapsulated electrical semiconductor device The invention
relates to a gas-tight encapsulated electrical semiconductor device with monocrystalline
Barrier layer semiconductor element and instead of air with operational nitrogen filling
of the housing. It is well known that one grooms. Semiconductor devices acting as rectifiers, transistors
Od. Like. Are used to encapsulate airtight, so that their electrical properties
not deteriorated by atmospheric influences. The influence of the ordinary
Atmospheric air can namely a) lead to a reduction in the blocking capacity,
b) to an increase in surface recombination, especially in the case of transistors
undesirable because of the resulting decrease in the current gain factor
is.
Es ist auch bekannt, bei der Herstellung gasdicht gekapselter Halbleiteranordnungen
das Verschließen des Gehäuses in einer geschlossenen Kammer, in welcher eine Stickstoffatmosphäre
herrscht, vorzunehmen, so daß das Gehäuse betriebsmäßig mit Stickstoff gefüllt ist.
Die Halbleiterelemente dieser bekannten Anordnungen vertragen nur eine verhältnismäßig
niedrige Sperrspannung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich Stickstoff
als Gehäusefüllung für Silizium-Sperrschichtelemente, welche eine außergewöhnlich
hohe Sperrspannung aufweisen, als Füllgas besonders gut eignet im Vergleich zu anderen
ebenfalls neutralen Füllgasen, wie z. B. Argon.It is also known in the production of gas-tight encapsulated semiconductor arrangements
the sealing of the housing in a closed chamber in which a nitrogen atmosphere
prevails to make so that the housing is operationally filled with nitrogen.
The semiconductor elements of these known arrangements can only tolerate one relatively
low reverse voltage. The invention is based on the knowledge that nitrogen
as a case filling for silicon barrier layer elements, which is an extraordinary
have high reverse voltage, particularly suitable as a filling gas compared to others
also neutral filling gases, such as. B. argon.
Die Erfindung bezieht sich also auf eine gasdicht gekapselte elektrische
Halbleiteranordnung mit einkristallinem Sperrschichthalbleiterelement und an Stelle
von Luft mit betriebsmäßiger Stickstoffüllung des Gehäuses. Erfindungsgemäß ist
das Halbleiterelement eine Siliziumscheibe mit p-s-n-Schichtenfolge, welche Sperrspannungen
von mindestens etwa 500 bis 600 V standhält. Derartige Gleichrichterelemente können
aus hochwertigem Silizium hergestellt werden. Versuche, bei denen derartige Siliziumgleichrichter
in einem mit Argon gefüllten Gehäuse gekapselt wurden, haben gezeigt, daß es bei
Spannungen von etwa 500 bis 600 V zu Überschlägen zwischen den Elektroden der Siliziumscheibe
kam. Dieser Mangel wurde durch Verwendung von Stickstoff an Stelle von Argon bzw.
von Luft als Füllgas behoben. Es hat sich ferner herausgestellt, daß bei Verwendung
hochsperrender Siliziumhalbleiterelemente mit p-s-n-Schichtenfolge in einer Stickstoffüllung
auch die oben unter a) und b) angegebenen Nachteile, nämlich Verminderung der Sperrfähigkeit
bzw. Steigerung der Oberflächenrekombination wegfallen. Versuche an Gleichrichtern
mit einem p-leitenden Siliziumgrundkörper mit einlegiertem n-Bereich ergaben, daß
die Sperrfähigkeit erhalten bleibt und die Oberflächenrekombination im Laufe der
Zeit sogar abnimmt. Dieses Ergebnis überraschte um so mehr, als die Kapselung in
trockener Luft, deren überwiegender Bestandteil ja Stickstoff ist, sich als ungenügend
bezüglich der Beseitigung der Nachteile a) und b) erwiesen hat und es keineswegs
feststeht, daß daran etwa der Sauerstoffanteil der Luft schuld wäre.The invention thus relates to a gas-tight encapsulated electrical
Semiconductor device with single crystal junction semiconductor element and in place
of air with normal nitrogen filling of the housing. Is according to the invention
the semiconductor element a silicon wafer with p-s-n layer sequence, which blocking voltages
withstands from at least about 500 to 600 V. Such rectifier elements can
are made from high quality silicon. Attempts in which such silicon rectifiers
encapsulated in a case filled with argon have shown that it is at
Voltages of around 500 to 600 V cause flashovers between the electrodes of the silicon wafer
came. This deficiency was remedied by using nitrogen instead of argon.
fixed by air as filling gas. It has also been found that when used
high blocking silicon semiconductor elements with p-s-n layer sequence in a nitrogen filling
also the disadvantages indicated above under a) and b), namely reduction in the blocking ability
or increase in surface recombination are eliminated. Tests on rectifiers
with a p-conducting silicon base body with an alloyed n-area showed that
the blocking ability is preserved and the surface recombination in the course of the
Time even decreases. This result was all the more surprising as the encapsulation in
dry air, the predominant component of which is nitrogen, turns out to be insufficient
has proven to eliminate the disadvantages a) and b) and it by no means
it is certain that the oxygen content of the air would be to blame for this.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im
Schnitt dargestellt. Das eigentliche Gleichrichterelement besteht aus einem scheibenförmigen
Einkristall 10 aus beispielsweise schwach p-leitendem Silizium. Auf seiner Oberseite
befindet sich eine Goldelektrode 11 mit etwa 1% Antimongehalt, welche in die Siliziumscheibe
einlegiert ist und dort einen hoch n-dotierten Bereich geschaffen hat. Zwischen
diesem Bereich und dem p-leitend verbliebenen Teil des Grundkörpers befindet sich
der p-n-Übergang, dem die Gleichrichterwirkung zuzuschreiben ist. Die Unterseite
der Siliziumscheibe 10 ist mit einer Aluminiumelektrode 12 sperrfrei kontaktiert.
Vor dieser befindet sich infolgedessen im Inneren der Siliziumscheibe ein hoch p-dotierter
Bereich. Ein Halbleiterelement der beschriebenen Art bezeichnet man als einen p-s-n-Gleichrichter.
Die Aluminiumelektrode 12 kann vorteilhaft aus zwei übereinanderliegenden Schichten
zusammengesetzt sein, von denen nur die obere aus Aluminium besteht und mit dem
Silizium eine Legierung bildet, während dagegen der untere "Teil der Elektrode 12
von einer Trägerplatte beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram gebildet wird. Die
untere Seite dieser Trägerplatte kann vernickelt oder mit einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
plattiert und auf eine Bodenplatte 13 aufgelötet sein, welche vorteilhaft aus Kupfer
besteht und einen Anschlußbolzen 14
mit Gewinde aufweist. An die
Goldelektrode 11 ist mit zinnfreiem Lot ein Anschlußleiter 15, beispielsweise aus
Kupfer, angelötet, der durch eine Bohrung der Gehäusekapsel 16 hindurchgeführt ist.
Die letztere kann aus Metall, z. B. Eisen oder Messing, bestehen. Dann ist der Anschlußleiter
15 mittels einer gasdichten Durchführung 17, z. B. einer Glaseinschmelzung, zu isolieren.
Die Gehäusekapsel 16 wird mit ihrem unteren Rand in einer kreisrunden Rille 18 festgelötet.
Durch diese Rille und eine dazu konzentrische Vertiefung der Bodenplatte 13, in
welche die Elektrode 12 des Halbleiterelements eingelassen ist, wird die Zentrierung
der verschiedenen Teile beim Zusammensetzen erleichert. Die Gehäusekapsel 16 ist
mit einem Füllstutzen 19 versehen, durch welchen nach der Zusammensetzung und Verbindung
der Einzelteile miteinander die Luft herausgepumpt und eine Stickstoffüllung 20
hineingelassen werden kann, worauf auch der Füllstutzen 19 durch Abklemmen und Verlötung
gasdicht verschlossen wird. Der Druck der Stickstoffüllung beträgt vorteilhaft 1
at abs, ist also etwa gleich dem Druck der äußeren Umgebung oder etwas höher, damit
bei einer geringfügigen Undichtheit nicht sofort Luft eindringen kann.In the drawing, an embodiment according to the invention is in
Section shown. The actual rectifier element consists of a disk-shaped one
Single crystal 10 made of, for example, weakly p-conductive silicon. On its top
there is a gold electrode 11 with about 1% antimony content, which is inserted into the silicon wafer
is alloyed and has created a highly n-doped area there. Between
this area and the remaining p-conductive part of the base body is located
the p-n junction to which the rectifying effect can be ascribed. The bottom
the silicon wafer 10 is in lock-free contact with an aluminum electrode 12.
As a result, there is a highly p-doped one in front of this inside the silicon wafer
Area. A semiconductor element of the type described is referred to as a p-s-n rectifier.
The aluminum electrode 12 can advantageously consist of two superposed layers
be composed, of which only the upper one is made of aluminum and with the
Silicon forms an alloy, while the lower "part of the electrode 12
is formed by a carrier plate made of molybdenum or tungsten, for example. the
lower side of this carrier plate can be nickel-plated or with an iron-nickel-cobalt alloy
be plated and soldered to a base plate 13, which is advantageously made of copper
consists and a connecting bolt 14
having a thread. To the
Gold electrode 11 is a connection conductor 15, for example made of tin-free solder
Copper, soldered on, which is passed through a bore in the housing capsule 16.
The latter can be made of metal, e.g. B. iron or brass exist. Then the connection wire is
15 by means of a gas-tight bushing 17, for. B. a glass seal to isolate.
The housing capsule 16 is soldered with its lower edge in a circular groove 18.
Through this groove and a concentric recess in the base plate 13, in
which the electrode 12 of the semiconductor element is embedded, becomes the centering
of the various parts made easier when assembling. The housing capsule 16 is
provided with a filler neck 19 through which after assembly and connection
of the individual parts with one another, the air is pumped out and a nitrogen filling 20
can be let in, whereupon the filler neck 19 by disconnecting and soldering
is sealed gas-tight. The pressure of the nitrogen filling is advantageously 1
at abs, is about the same as the pressure of the external environment or a little higher, so
air cannot enter immediately in the event of a minor leak.
Statt des beschriebenen Halbleiterelementes kann natürlich auch ein
solches mit einem schwach n-leitenden Siliziumgrundkörper vorgesehen sein, dessen
Oberseite beispielsweise mit einer borhaltigen Goldelektrode unter Bildung eines
p-leitenden Bereiches und eines p-n-Überganges legiert sein kann. Die untere sperrfreie
Elektrode kann in diesem Falle beispielsweise aus antimonhaltigem Gold mit einer
Molybdän- oder Wolframunterlage bestehen.Instead of the semiconductor element described, a
be provided with a weakly n-conductive silicon base body, its
Top side, for example, with a boron-containing gold electrode to form a
p-type region and a p-n junction can be alloyed. The lower lock-free
Electrode can in this case, for example, made of antimony-containing gold with a
Molybdenum or tungsten base exist.
Das Sperrschichthalbleiterelement in der mit Stickstoff gefüllten
Gehäusekapsel kann außer der erwähnten p-s-n-Schichtenfolge noch weitere, an diese
gegegebenenfalls mit einem p-n-Übergang angrenzende Schichten in der Siliziumscheibe
aufweisen. Es kann z. B. eine zusätzliche n-Schicht auf der p-Seite oder eine zusätzliche
p-Schicht auf der n-Seite der Siliziumscheibe haben und dadurch in an sich bekannter
Weise zu einem Transistorelement ausgestaltet sein.The junction semiconductor element in the nitrogen-filled one
In addition to the above-mentioned p-s-n layer sequence, the housing capsule can also have additional layers attached to it
possibly adjoining layers in the silicon wafer with a p-n junction
exhibit. It can e.g. B. an additional n-layer on the p-side or an additional one
have p-layer on the n-side of the silicon wafer and are therefore known per se
Way to be designed as a transistor element.