DE1080693B

DE1080693B - Elektrische Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1080693B
Application number: DEI15434A
Authority: DE
Inventors: Frank Richard Noll
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1957-09-27
Filing date: 1958-09-24
Publication date: 1960-04-28
Also published as: BE571550A; CH361867A; US2938130A; GB890841A; FR1210987A

Description

DEUTSCHES

Erfindung bezieht

sich auf eine elektrische

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine n- und eine p-Zone aufweist, und die Montagemittel enthält und/oder in ein Gehäuse eingebaut ist, die als Wärmeableitung dienen bzw. dient.

Die Verwendung von Leistungstransistoren ist durch die Wärmeableitung zum Chassis oder zu der Halterung begrenzt. Leistungstransistoren, das sind solche, die zur Steuerung einer größeren Leistung, wie z. B. in Niederfrequenz- und Steuerschaltungen, verwendet werden, unterscheiden sich von solchen zur Steuerung von geringen Leistungen, wie z. B. in Radiofrequenzschaltungen. Üblicherweise ist bei den ersteren der Kollektor an das Metallgehäuse angeschlossen. Die Wärme wird bei solchen Leistungstransistoren hauptsächlich im Kollektorteil erzeugt, jedoch ist der Kollektor im allgemeinen so an die Schaltung angeschlossen, daß sein Potential höher ist als das Erdpotential, wobei das Chassis oder die Montageplatte der Vorrichtung, auf welcher der Transistor im allgemeinen befestigt werden soll, an Erdpotential liegt. Es war also bisher immer nötig, das Transistorgehäuse vom Chassis zu isolieren, z. B. mittels einer Glimmerscheibe. Dieser elektrische Isolator ist jedoch gleichzeitig ein Wärmewiderstand, so daß die Wärmeableitung des Transistorgehäuses zum Chassis vermindert wird.

Es ist daher wünschenswert, einen Transistor oder eine andere elektrische Halbleitervorrichtung so aufzubauen, daß das Gehäuse auf einem Chassis mit gutem Wärmeübergang befestigt werden kann, während gleichzeitig der Stromfluß vom Gehäuse zum Chassis gesperrt ist.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine n- und eine p-Zone aufweist, und die Montagemittel enthält und/oder in ein Gehäuse eingebaut ist, die als Wärmeableitung dienen bzw. dient, gemäß der Erfindung in einfacher Weise dadurch gelöst, daß zwischen der der Wärmeableitung nächstliegenden Zone des Halbleiterkörpers eine weitere Halbleiterschicht von einem dieser Zone entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehen ist und daß diese Zone des Halbleiterkörpers auf einem solchen Potential liegt, daß sie mit der zusätzlichen Halbleiterschicht eine Flächendiode bildet, derart, daß der Stromfluß zu der Wärmeableitung gesperrt ist, jedoch der Halbleiterkörper in gut wärmeleitender Verbindung mit der Wärmeableitung steht.

Bei einer besonderen Ausbildungsform besteht die elektrische Halbleitervorrichtung aus einem pnp- bzw. einem npn-Transistor, dessen Kollektor mit der zusätzlichen Halbleiterschicht unter Bildung einer Elektrische Halbleitervorrichtung

Anmelder:

International Standard Electric

Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. September 1957

Frank Richard Noil, Fort Wayne, Ind. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Flächendiode verbunden ist. Da das Halbleitermaterial, wie 2. B. Selen und Germanium, ein guter Wärmeleiter ist, wird die im Kollektor des Transistors erzeugte Wärme durch diese Schicht zu den Montagemitteln abgeleitet, jedoch infolge der Vorspannung des Kollektors in Sperrichtung und des entgegengesetzten Leitungstyps der Halbleiterschicht ist der Stromfluß von der Stromquelle zur Montagevorrichtung durch die Halbleiterschicht gesperrt.

Eine weitere Ausbildungsform der vorliegenden Halbleitervorrichtung besteht aus einer Diode, die mit der zusätzlichen Halbleiterschicht unter Bildung einer weiteren Diode verbunden ist.

Die vorliegenden Halbleitervorrichtungen können auch so ausgebildet sein, daß das Gehäuse aus elektrisch leitendem Material besteht und mit der Montageplatte elektrisch gut leitend verbunden ist. Bei Transistoren können die Zuleitungen für Basis, Emitter und Kollektor durch den Oberteil des Gehäuses isoliert hindurchgeführt werden.

Bei einer elektrischen Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine n- und eine p-Zone aufweist, und die in ein Gehäuse eingebaut ist, das aus mindestens teilweise elektrisch

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leitendem Material besteht, das auf einem zur Wärmeableitung dienenden Chassis befestigt ist und das im Betrieb auf einem vom Chassis verschiedenen Potential liegt, kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwischen dem Gehäuse und dem Chassis eine Selengleichrichterplatte so angeordnet sein, daß eine gute Wärmeableitung vom Gehäuse zum Chassis besteht, der Strom vom Gehäuse zum Chassis hin jedoch durch die Gleichrichterplatte gesperrt ist.

Die vorliegende Anordnung kann auch zur verbesserten Ableitung der Wärme bei im Handel erhältlichen Transistoren angewendet werden.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. In den Zeichnungen ist in

Fig. 1 eine Ausführungsform zur Ableitung der Wärme bei einem der im Handel erhältlichen Leistungstransistoren teilweise im Schnitt dargestellt;

Fig. 2 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einem pnp-Transistor;

Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einem npn-Transistor; in

Fig. 4 ist ein Leistungstransistor dargestellt;

Fig. 5 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einer Diode;

In Fig. 6 ist schematisch die Anwendung von Dioden nach Fig. 5 in einer Gleichrichterbrückenschaltung dargestellt.

Es soll zunächst kurz erwähnt werden, daß ein Transistor aus einem Halbleiterkristall I₁ ζ. Β. aus Germanium, besteht, in dem durch Zusatz geeigneter Störstoffe, wie dies allgemein bekannt ist, Schichten vom p-Typ und vom η-Typ erzeugt wurden. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kristall 1 ist eine pnp-Schichtenfolge vorhanden, bei der die mittlere η-Schicht die Basis bildet, während die beiden p-Schichten den Kollektor und den Emitter bilden. Die Kollektorschicht des Kristalls hat in diesem Fall eine Vorspannung in Sperrschicht, d. h., sie ist an den negativen Pol einer geeigneten Gleichstromquelle angeschlossen, die in der Figur durch die Batterie 2 dargestellt wird. Zwischen der Gleichstromquelle und der Kollektorzone ist der Ladewiderstand 3 eingeschaltet. Der positive Pol der Batterie 2 ist an Erde angeschlossen. Der Emitter kann auch an Erde angeschlossen sein, und die Basis ist beispielsweise mit der Zuleitung 4 an den übrigen Stromkreis so angeschlossen, daß hier das Steuersignal ankommt, wie dies allgemein bekannt ist.

Man sieht nun, daß, wenn der Kollektor eine negative Vorspannung in Sperrichtung hat, wie dies dargestellt ist, bei der Signalspannung Null an der Basis nur ein sehr geringer Sperrstrom durch den Kristall 1 vom Kollektor zum Emitter fließt. Wenn jedoch ein Signal an der Basis ankommt, so daß ein geringer Strom vom Kollektor zur Basis fließt, dann fließt ein wesentlich stärkerer Strom in dem Stromkreis Kollektor—Emitter. Der Kollektor des Kristalls 1 hat nun ein höheres Potential als die Erde und, wie oben angedeutet, wird der Kollektor im allgemeinen zur besten Wärmeabgabe an das umhüllende Metallgehäuse des Transistors angeschlossen, da der größte Teil der Wärme des Transistors in der Kollektorzone entsteht. Man sieht jedoch, daß das umschließende Gehäuse, das durch die gestrichelten Linien bei 5 angedeutet ist, nicht direkt auf dem Chassis oder der Montageplatte 6 befestigt werden kann, die sich im allgemeinen auf Erdpotential befindet, da dann der Strom von der Stromquelle 2 direkt zum Chassis 6 fließt. Wenn nun, wie in der Zeichnung dargestellt, ein Halbleiterkörper 7 zwischen dem Kollektor und dem Chassis angeordnet ist, wird, da er ein guter Wärmeleiter ist, die Wärme aus der Kollektorschicht des Kristalls 1 zur Montageplatte 6 abgeleitet, jedoch wird gleichzeitig eine Flächendiode von dem Halbleiterkörper 7 und dem Kollektor gebildet, die eine solche Vorspannung hat, daß der Stromfluß von der Stromquelle 2 zur Montageplatte 6 gesperrt ist.
Aus Fig. 3, in welcher die gleichen Teile mit den

ίο gleichen Bezugszeichen versehen sind, geht hervor, daß die Erfindung auch bei einem Transistor vom npn-Typ angewendet werden kann. Hier ist die Kollektorzone des Kristalls 1 in Sperrichtung vorgespannt durch Verbindung mit dem positiven Pol der Batterie 2, so daß nur ein sehr geringer Reststrom in dem Kollektor-Emitter-Stromkreis unter dem Einfluß der Batterie 2 fließt, wenn keine Signalspannung an der Basis anliegt. Bei diesem Transistoraufbau ist der Halbleiterkörper 7 wieder von entgegengesetztem Leitungstyp wie der Kollektor, d. h., er besteht aus einer Schicht vom p-Typ, die eine Flächendiode mit dem Kollektor bildet. So wird wieder die Wärme vom Kollektor zu der Grundplatte 6 gut abgeleitet, der Stromfluß von der Batterie 2 zur Grundplatte 6 jedoch wiederum gesperrt.

In Fig. 1 ist die Anwendung der Erfindung bei den zur Zeit im Handel erhältlichen Leistungstransistoren 8 dargestellt, die ein Metallgehäuse 9 haben, das mit dem Kollektor des Kristalls in der üblichen Weise verbunden ist. Die Anschlüsse 10, 11 und 12 sind an dem Emitter, der Basis bzw. dem Kollektor des Kristalls befestigt. Ein Montagebolzen 13 ist am Unterteil des Transistors 8 befestigt und an das Gehäuse 9 angeschlossen. Der Bolzen 13 hat so das gleiche Potential wie das Gehäuse 9 und der Kollektor. Wenn der Transistor 8 auf ein Chassis 14 aus einer dünnen Schicht leitenden Materials, wie z. B. Aluminium, montiert werden soll, so wurde bisher das Gehäuse 9 von dem Chassis 14 in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine Glimmerschicht, isoliert. Gemäß der Erfindung wird eine Scheibe 15 aus geeignetem Halbleitermaterial, wie z. B. Selen oder Germanium, zwischen den unteren Teil des Gehäuses 9 des Transistors 8 und die obere Fläche des Chassis 14 gebracht. Wenn der Transistor 8. vom pnp-Typ ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wird die n-leitende Seite der Halbleiterschicht 15 mit dem Gehäuse 9 in Kontakt gebracht und so eine Flächendiode gebildet, während in dem Falle, wo der Transistor 8 vom npn-Typ ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die Halbleiterschicht 15 lediglich umgedreht wird, so daß ihre p-Schicht mit dem Gehäuse 9 in Kontakt steht und wieder eine Flächendiode bildet. Es wurde gefunden, daß eine Scheibe der bekannten Selengleichrichter ideal dafür geeignet ist, die Ausführungsform nach Fig. 1 zu verwirklichen. Wenn so eine Scheibe in gutem Kontakt mit dem Boden des Gehäuses 9 und der oberen Fläche des Chassis 14 steht, ist ein guter Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse 9 und dem Chassis 14 vorhanden. Da sich der Bolzen 13 auf dem gleichen Potential wie das Gehäuse 9 und der Kollektor befindet, wird ein Isolierstück 16 in die öffnung 17 des Chassis 14 eingesetzt, das den Bolzen 13 umgibt. Eine Unterlagsscheibe und eine Mutter 18 auf dem Bolzen 13 halten das Isolierstück 16 an Ort und Stelle und ziehen das Gehäuse 9 des Transistors 8 nach unten, so daß sich eine gute Verbindung mit dem Halbleiterkörper 15 ergibt.

Vergleichsversuche zwischen ■ Transistoren mit einer Montage nach Fig. 1 und der üblichen Be-

festigung haben einen wesentlich verbesserten Wärmeübergang bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ergeben.

In Fig. 4 ist ein Leistungstransistor dargestellt. Der Flächentransistor 19 besteht aus einem Germaniumkristall 20, der in Fig. 4 vom pnp-Typ ist, wobei die η-Schicht, welche die Basis bildet, einen Anschluß 21 aufweist und die p-Schichten, welche den Emitter bzw. den Kollektor bilden, die Anschlüsse 22 und 23 haben. Ein Bolzen 24 ist an seinem Kopf 25 mit Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium, überzogen, und der Kopf 25 steht mit dem Kollektorgebiet 26 in Kontakt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Halbleiterüberzug auf dem Kopf 25 des Bolzens 24 von dem der Kollektorschicht 26 entgegengesetzten Leitungstyps, die vom p-Typ ist, d. h., die Schicht ist aus η-Material, das eine Flächendiode mit der Kollektorschicht 26 bildet, wie dies in Fig. 2 der Fall ist. Das umgebende Metallgehäuse 27 hat einen Oberteil 28 aus Isolierstoff, durch den die Anschlüsse 21, 22 und 23 hindurchführen. Der Bolzen 24 tritt durch eine geeignete Öffnung im Gehäuse 27. Bei dieser Ausführungsform hat das Gehäuse 27 das gleiche Potential wie der Halbleiterkopf 25 des Bolzens 24, der von dem Kollektorgebiet 26 abgewandt ist, und berührt direkt die Oberfläche des Chassis 14. Der Bolzen 24 kann durch die Öffnung 29 im Chassis 14 hindurchtreten, und das Gehäuse wird durch eine Scheibe und eine Mutter 30 in guter Verbindung mit dem Chassis 14 gehalten. Der Transistor 19 kann natürlich auch vom npn-Typ sein, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wobei der Kopf 25 des Bolzens 24 mit Halbleitermaterial vom p-Typ bedeckt ist. Die Wärme wird nun von dem Kollektorgebiet 26 des Transistors 19 über den mit einer Halbleiterschicht überzogenen Kopf 25 des Bolzens 24 und den anschließenden Gehäuseteil 27 zum Chassis 14 abgeleitet.

Obwohl in Fig. 1 und 4 getrennte Halbleiterkörper zwischen dem Kollektor und den Montagemitteln angeordnet sind, kann der Kristall selbst auch aus vier Zonen bestehen, z. B. aus einer pnpn-Schichtenfolge wie in Fig. 2 oder einer npnp-Schichtenfolge, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei die an die Kollektorschicht anschließende Schicht in gut wärmeleitendem Kontakt mit den Montagemitteln angeordnet ist.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, kann die Erfindung auch bei Halbleiterdioden angewendet werden. Hier ist die Flächendiode 31 aus geeignetem Halbleitermaterial, wie z.B. einem Germaniumkristall, gebildet, der in üblicher Weise eine Schicht vom p-Typ und eine Schicht vom η-Typ aufweist, wobei die p-Schicht durch die Zuleitung 32 an eine geeignete Spannungsquelle und die η-Schicht an den übrigen Stromkreis über die Zuleitung 33 angeschlossen ist. Bei gewissen Schaltungen in denen die Diode 31 verwendet werden kann, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, befindet sich die η-Schicht des Kristalls 31 nicht aus Erdpotential, und deshalb ist es nicht möglich, die η-Schicht in direktem wärmeleitendem Kontakt mit den Montagemitteln 6 anzuordnen. Deshalb wird ein zusätzliches So Halbleiterglied 34 vom p-Typ so angeordnet, daß es eine Flächendiode mit der η-Schicht bildet und in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Oberfläche des Montagemittels 6 steht. Es wird daher die Wärme von der η-Schicht der Kristalldiode 31 zur Grundplatte 6 abgeleitet, jedoch der Stromfluß in der pn-Schicht gegenüber der Grundplatte 6 durch das Halbleiterglied 34 gesperrt.

In Fig. 6 ist eine Gleichrichterbrückenschaltung 35 mit den Dioden 36, 37, 38 und 39 dargestellt. Bei dieser Vollwegbrückenschaltung sind die Ecken 40 und 41 an die Sekundärwicklung 42 des Transformators 43 angeschlossen, während die anderen beiden Ecken 44 und 45 an die Last 46 angeschlossen sind. Die Ecke 44 kann auf Erdpotential liegen, wie dies dargestellt ist. Die η-Zone der Dioden 36 und 37 sind dann beide auf Erdpotential und können daher direkt in wärmeleitender Verbindung mit der Montageplatte stehen. Die Ecke 45 befindet sich jedoch immer auf einem Potential, das über dem Erdpotential liegt, und deshalb können weder die n- noch die p-Zonen der Dioden 38 und 39 zur Wärmeableitung direkt mit der Montageplatte verbunden werden. Deshalb wird eine Anordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, für jede der Dioden 38 und 39 verwendet, wobei zusätzliche Halbleiterglieder 34 weitere Dioden mit den η-Schichten bilden, die schematisch als Dioden 47 und dargestellt sind, welche an die η-Schichten der Dioden 38 und 39 angeschlossen sind.

Es ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung sowohl bei Transistoren, als auch bei Dioden, bei denen die Vorrichtung wärmeleitend mit einer Montageplatte oder einem Chassis verbunden ist, die sich auf Erdpotential befinden, ohne daß der Strom zum Chassis oder zur Grundplatte abgeleitet wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrische Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine n- und eine p-Zone aufweist, und die Montagemittel enthält und/oder in ein Gehäuse eingebaut ist, die als Wärmeableitung dienen bzw. dient, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der der Wärmeableitung nächstliegenden Zone des Halbleiterkörpers eine weitere Halbleiterschicht von einem dieser Zone entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehen ist und daß diese Zone des Halbleiterkörpers auf einem solchen Potential liegt, daß sie mit der zusätzlichen Halbleiterschicht eine Flächendiode bildet, derart, daß der Stromfluß zu der Wärmeableitung gesperrt ist, jedoch der Halbleiterkörper in gut wärmeleitender Verbindung mit der Wärmeableitung steht.

2. Elektrische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem pnp- bzw. einem npn-Transistor besteht, dessen Kollektor mit der zusätzlichen Halbleiterschicht unter Bildung einer Flächendiode verbunden ist.

3. Elektrische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Diode besteht, die mit der zusätzlichen Halbleiterschicht unter Bildung einer weiteren Diode verbunden ist.

4. Elektrische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus elektrisch leitendem Material besteht und mit der Montageplatte elektrisch gut leitend verbunden ist.

5. Transistor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen für Basis, Emitter und Kollektor durch den Oberteil des Gehäuses isoliert hindurchgeführt sind.

6. Elektrische Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine n- und eine p-Zone aufweist, und die in ein Gehäuse eingebaut

ist, das aus mindestens teilweise elektrisch leitendem Material besteht, das auf einem zur Wärmeableitung dienenden Chassis befestigt ist und das im Betrieb auf einem vom Chassis verschiedenen Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen dem Gehäuse- und dem Chassis eine Selengleichrichterplatte so angeordnet ist, daß eine gute Wärmeableitung vom Gehäuse zum Chassis besteht, der Strom vom Gehäuse zum Chassis hin jedoch durch die Gleichrichterplatte gesperrt ist.

Hierzu i Blatt Zeichnungen