DE1093018B

DE1093018B - Trockengleichrichterelement und aus mehreren dieser Trockengleichrichterelemente hergestellte Trockengleichrichtersaeule

Info

Publication number: DE1093018B
Application number: DEL28267A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Enno Arends; Dipl-Phys Adalbert Knopp
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1957-08-03
Filing date: 1957-08-03
Publication date: 1960-11-17

Description

Trockengleichrichterelement und aus mehreren dieser Trockengleichrichterelemente hergestellte Trockengleichrichtersäule Für Kristalldetektoren, die aufeinandergeschichtet werden können, ist bekannt, die Kontaktierung des Kristalles mit einer Nadelspitze zu ersetzen durch die Abdeckeung der Kristalloberfläche mit einer Isolierung und die Füllung einer in .dieser angebrachten Öffnung mit einem Metall durch Aufdampfen oder elektrolytische Aufbringung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Trockengleichrichtereletnent, insbesondere für Trockengleichrichtersäulen aus mehreren aufeinandergeschichteten Trokkengleichrichterelementen, bei dem eine Halbleiterscheibe auf einer Metallplatte befestigt ist und bei dem an der Halbleiterscheibe ein Drahtstück mit seinem einen Ende angebracht ist.
Bei derartigen Trockengleichrichterelementen besteht die Schwierigkeit der elektrischen Kontaktierung aus einem Drahtstück bestehenden Elektrode mit einem block- oder tafelförmigen Teil, insbesondere mit der Tragplatte eines anderen Trockengleichrichterelementes. Die drahtförmige Elektrode vermag nämlich keine mechanische Belastung auszuhalten, wie sie etwa bei der Verbindung mehrerer solcher Trockengleichrichterelemente miteinander auftritt. Besonders empfindlich ist die drahtförmige Elektrode bei Sprödigkeit der Verbindung des einen Drahtendes mit dem Halbleiterkörper, die in bekannter Weise bevorzugt durch Legieren hergestellt wird. Dieser Nachteil ist oft gerade an eine solche Materialauswahl für Halbleiter und Draht geknüpft, die unter anderen Gesichtspunkten günstig ist.
Der bekannte Aufbau von Kristalldetektoren ist für Trockengleichrichterelemente mit einem an der Halbleiterscheibe angebrachten Drahtstück schon insoweit nicht anwendbar, als eine einwandfreie mechanische Befestigung .der drahtförmigen Elektrode an der Metallplatte des nächstfolgenden Trockengleichrichterelementes allein mit Hilfe einer auf die Halbleiterschicht aufgebrachten Isolierschicht nicht gelingt. Die drahtförmige Elektrode kann nämlich mittels einer Isolierschicht allein nicht so mechanisch festgelegt werden, daß eine mechanische Beanspruchung, wie sie etwa bei Vereinigung mehrerer solcher Trockengleichrichterelemente zu einer Trockengleichrichtereinheit auftritt, auf die Verbindung des Drahtstückes mit der Halbleiterschicht nicht übertragen würde.
Nach der Lehre der Erfindung kann diese Schwierigkeit vermieden und eine auch in weiterer Hinsicht vorteilhafte Ausbildung erhalten werden. Insbesondere kann bei einem Trockengleichrichterelement der Aufbau eines Trockengleichrichterelementes, bei dem eine Metallplatte eine Halbleiterscheibe trägt und an diese ein Drahtstück mit seinem einen Ende anlegiert ist, unverändert beibehalten werden; :dennoch ist es aber bei einem Trockengleichrichterelement möglich, die aus einem Drahtstück bestehende Elektrode mit einem block- oder tafelförmigen Metallteil, insbesondere mit der Tragplatte eines anderen Trockengleichrichterelementes, mechanisch und elektrisch sicher zu kontaktieren.
Die Erfindung besteht darin, daß auf der Halbleiterscheibe eine gegen diese .isolierte Metallscheibe mit einer Bohrung für das Drahtstück aufliegt und daß Halbleiterscheibe, Isolierung, Metallscheibe und Drahtstück mechanisch fest sowie Metallscheibe und Drahtstück elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Die vorliegenden Trockengleichrichterelemente weisen den Vorteil auf, daß sie durch Anlegieren einer drahtförmigen Elektrode einen kleinflächigen Sperrschichtkontakt erhalten und dennoch zu Trockengleichrichtersäulen, insbesondere für Hochspannungszwecke, aufeinandergeschichtet werden können. Von besonderem Vorteil ist weiterhin, daß für die drahtförmige Elektrode Drähte sehr kleiner Stärke verwendet werden können, ohne hierdurch auf die Möglichkeit des Aufeinanderschichtens von Trotkengleichrichterelementen und damit auf den Aufbau von Trockengleichrichtereinheiten verzichten zu müssen. Derartige Hochspannungssäulen oder- einheiten erweisen sich durch die kleine Sperrschichtkapazität als günstig für Hochfrequenzanwendungen. Bei solchen Anordnungen wird mit den vorliegenden Trockengleichrichterelementen außerdem eine kleine axiale Ausdehnung der Trockengleichrichtersäulen und damit eine Raumeinsparung erreicht. Ist bei Trockengleichrichterelementen, die nicht aufeinandergeschichtet werden, das Elektrodendrahtstück an seinem über die Metallscheibe überstehenden Ende mit einem Zuleitungsdraht verlötet, so erweist sich die vorliegende Ausbildung der Trockengleichrichterelemente für das Herstellungsverfahren als vorteilhaft. So bietet die auf der Halbleiterscheibe aufliegende, isolierte Metallscheibe bei dem Lötprozeß zur Verbindung eines Zuleitungsdrahtes, beispielsweise eines Silberdrahtes, mit dem Elektrodendrahtstück einen Wärmeschutz für die Halbleiterscheibe. Die Metallscheibe schützt die Oberfläche der Hall)IciterSChelbe außerdem gegen Verschmutzungen, <die etwa bei dem Einbau in das Gehäuse entstehen könnten. Diese Trockengleichrichterelemente erfordern daher nicht die sorgfältigen Schutzmaßnahmen der Herstellungsverfahren bekannter Trockengleichrichterelemente.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, die Halbleiterscheibe auf der Metallplatte mindestens angenähert sperrschichtfrei zu befestigen, insbesondere anzulöten, und das Drahtstückende unter Bildung einer Sperrschicht an die Halbleiterscheibe anzulegieren. Diese Ausführung ist von Vorteil, wenn das Trockengleichrichterelement durch Anlegieren eine Art eines pn-Überganges erhalten werden soll, .die durch ein anderes Anbringungsverfahren nicht zu erzielen ist.
Außerdem ist das vorliegende Trockengleichrichterelement, bei dem die drahtförmige Elektrode an die Halbleiterscheibe anlegiert ist, auch insoweit von Vorteil, als bei Legierungskontakten einer Drahtelektrode Schwierigkeiten der Materialauswahl für das Legierungslot vermieden werden können, die großflächigen Legierungskontakten anhaften, unabhängig davon, ob bei dem Anlegieren sich ein pn-Übergang ausbildet oder ein solcher verhindert wird.
Die auf der Halbleiterscheibe aufliegende Metallscheibe ist zweckmäßig durch eine Isolierscheibe gegen die Halbleiterscheibe isoliert, wobei diese Isolierscheibe eine Bohrung für das Drahtstück aufweist. Vorzugsweise ist die Isolierscheibe mit der Halbleiterscheibe verklebt, insbesondere mittels eines Kunstharzlackes oder eines Gießharzes. Als günstig erweist sich weiterhin die Verklebung der Metallscheibe mit der Isolierscheibe; hierzu ist ebenfalls Kunstharzlack oder Gießharz geeignet.
Das Drahtstück, daß die Halbleiterscheibe mit seinem einen Ende als eine Elektrode kontaktiert, endet vorzugsweise angenähert bündig mit derjenigen Oberfläche der Metallscheibe, die von der Isolierscheibe abgewandt ist. Es ist mit der Metallscheibe vorteilhaft durch Lötung verbunden, insbesondere mittels einer um das Ende des Drahtstückes auf die Metallscheibe aufgelegten Lotringscheibe. Mit Vorteil erfolgt die Lötung unter Ultraschalleinwirkung.
Eine andere zweckmäßige Verbindung des Drahtstückes mit der Metallscheibe wird durch plastische Verformung erhalten, wobei ein Drahtstück verwendet wird, das mit der von der Isolierscheibe abgewandten Oberfläche der Metallscheibe angenähert bündig endet. Als weitere geeignete Verbindung hat sich eine solche Verbindung erwiesen, bei welcher das über die von der Isolierscheibe abgewandte Oberfläche der Metallscheibe überstehende Ende des Drahtstückes auf die Oberfläche der Metallscheibe durch Biegung umgelegt ist.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann eine Halbleiterscheibe aus Germanium, Silizium, einer Legierung aus Germanium und Silizium oder aus einer halbleitenden Verbindung aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder aus Legierungen aus diesen vorgesehen werden. Als Drahtstück für die eine Elektrode des Trockengleichrichterelementes eignet sich besonders Aluminium, Gold, Legierungen dieser Metalle mit im Halbleiter Elektronen- oder Defektelektronenleitung erzeugenden Stoffen. Vorzugsweise kann für die Isolierung der Metallscheibe gegen die Halbleiterscheibe Glimmer oder Kunststoffolie verwendet werden. Besonders geeignet ist eine Metallscheibe aus Nickel.
Zur Herstellung der vorliegenden Trockengleichrichterelemente wird zweckmäßig so verfahren, daß auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe, an welcher das Drahtstück angebracht ist, ein Kunstharzlack oder ein Gießharz aufgebracht, dann die Isolierscheibe und die Metallscheibe jeweils mit ihrer Bohrung über das an der Halbleiterscheibe angebrachte Drahtstück gestreift und danach das Drahtstück auf eine angenähert mit der von der Isolierscheibe abgewandten Oberfläche endenden Länge gekürzt und mit der Metallscheibe verbunden wird.
An Hand der Fig. 1 und 2 werden zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, und zwar zeigt Fi!g. 1 in zum Teil schematischer Darstellung ein Trockengleichrichterelement im Schnitt und Fig. 2 in zum Teil schematischer Darstellung einen Schnitt einer Trockengleichrichtereinheit aus Trockengleichrichterelementen entsprechend Fig. 1.
In diesen Ausführungsbeispielen ist eine Halbleiterscheibe 1 aus elektronenleitendem Silizium mindestens angenähert sperrschichtfrei auf eine Metallplatte 2 aus Nickel aufgelötet. Ein Drahtstück 3 aus Aluminium von beispielsweise etwa 0,5 mm Durchmesser ist unter Bildung einer pn-Übergangssperrschicht 4 an die elektronenleitende Siliziumscheibe 1 anlegiert. Auf .der Sildziumscheibe 1 liegt eine dünne Glimmerscheibe 5, und auf dieser befindet sich eine Metallscheibe 6 aus Nickel, .die beispielsweise von angenähert der gleichen Form und Größe wie die die Siliziumscheibe 1 tragende Metallplatte 2 sein kann. Zweckmäßig steht die Glimmerscheibe 5 am Rand über -die Siliziumscheibe 1 etwas über, während die Nickelscheibe 6 die Größe der Glimmerscheibe 5 annähernd erreicht oder etwas kleiner ist.
Die Isolierscheibe 5 und die Metallscheibe 6 weisen jeweils eine Bohrung 7 bzw. 8 auf, welche das Drahtstück 3 aufnimmt. Der Bohrung 8 der 1Ietallscheibe 6 wird zweckmäßig eine auf die Stärke des Drahtstükkes 3 abgestimmte Breite gegeben, derart, daß die Bohrung 8 eine Führung für das Drahtstück 3 ergibt. Vorzugsweise sind die Metallscheibe 6, die Isolierscheibe oder -folie 5, die Halbleiterscheibe 1 und das Drahtstück 3 miteinander durch einen Kunstharzlack 9 verklebt, wodurch eine feste Verbindung der einzelnen Teile untereinander entsteht. Das Drahtstück 3 ist mittels Zinn an die Metallscheibe 6 bei 10 angelötet. In dieser Weise ist das Drahtstück 3 mit der Metallscheibe 6 elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden.
Aus Trockengleichrichterelementen entsprechend Fig. 1 kann eine Trockengleichrichtereinheit in Form einer Trockengleichrichtersäule aufgebaut werden, welche bei kleinem Raumbedarf eine hohe Sperrspannung aufweist. Fig. 2 zeigt beispielsweise eine solche Anordnung. In einem Keramikrohr 11 sind eine Anzahl Trockengleichrichterelemente 12 aufeinandergeschichtet, und zwar derart, daß jeweils die Metallplatte 2 eines Trockengleichrichterelementes 12 die Metallscheibe 6 des folgenden Trockengleichrichterelementes 12 kontaktiert. Zwischen einer der beiden Metallkappen 13 und 14 - in dem gezeichneten Beispiel zwischen der Metallkappe 13 und dem dieser Metallkappe nächsten Trockengleichrichterelement 12 - ist eine die Trockengleichrichterelemente 12 zusammendrückende Spiralfeder 15 eingefügt. Das Keramikrohr 11 wird an seinen :beiden Enden durch die Metallkappen 13 und 14 gegen außen abgeschlossen. Anden beiden Metallkappen 13 und 14 sind .die elektrischen Zuleitungen 16 und 17 angebracht. Der Versehluß des Keramikrohres 11 durch die Metallkappen 13 und 14 kann auch so ausgeführt sein, daß das Keramikrohr 11 gegebenenfalls eine Ölfüllung erhalten kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Trockengleichrichterelement, insbesondere für Trockengleichrichtersäulen aus mehreren aufeinandergeschichteten Trockengleichrichterelementen, bei dem eine Halbleiterscheibe auf einer Metallplatte befestigt ist und bei dem an der Halbleiterscheibe ein Drahtstück mit seinem einen Ende angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, .daß auf der Halbleiterscheibe eine gegen diese isolierte Metallscheibe mit einer Bohrung für das Drahtstück aufliegt und daß Halbleiterscheibe, Isolierung, Metallscheibe und Drahtstück mechanisch fest sowie Metallscheibe und Drahtstück elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
2. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe auf der Metallplatte mindestens angenähert sperrschichtfrei aufgelötet und das Drahtstückende unter Bildung einer Sperrschicht an die Halbleiterscheibe anlegiert ist.
3. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe gegen die Halbleiterscheibe durch eine Isolierscheibe mit einer Bohrung für das Drahtstück isoliert ist.
4. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheibe mit der Halbleiterscheibe verklebt ist, insbesondere mit einem Kunstharzlack oder einem Gießharz.
5. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, :dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe mit der Isolierscheibe verklebt ist, insbesondere mit einem Kunstharzlack oder einem Gießharz.
6. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtstück mit der von der Isolierscheibe abgewandten Oberfläche der Metallscheibe angenähert bündig endet und mit der Metallscheibe durch plastische Verformung verbunden ist.
7. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem ,der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise angenähert bündig mit der von der Isolierscheibe abgewandten Oberfläche der Metallscheibe endende Drahtstück mit der Metallscheibe durch Lötung verbunden ist. B.
Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das über die von der Isolierscheibe abgewandte Oberfläche der Metallscheibe überstehende Ende des Drahtstückes auf die Oberfläche der Metallscheibe durch Biegung umgelegt ist.
9. Trockengleichrichtereletnent nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Halbleiterscheibe aus Germanium, Silizium, aus einer Legierung aus Germanium und Silizium, aus einer halbleitenden Verbindung aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder aus Legierungen aus diesen Verbindungen.
10. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ein Drahtstück aus Aluminium, Gold oder Legierungen dieser Metalle mit .im Halbleiter Elektronen- oder Defektelektronenleitung erzeugenden Stoffen.
11. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Isolierung aus Glimmer oder Kunststoffolie.
12: Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Metallscheibe aus Nickel.
13. Trockengleichrichterelement nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Halbleiterscheibe aus elektronenleitendem Silizium, welche mindestens angenähert sperrschichtfrei auf eine Metallplatte aus Nickel aufgelötet ist, und durch ein Drahtstück aus Aluminium, das unter Bildung einer pn-Übergangssperrschicht an die elektronenleitende Siliziumscheibe anlegiert und mittels Zinn an eine Metallscheibe aus Nickel angelötet ist.
14. Trockengleichrichtersäule aus Trockengleichrichterelementen nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockengleichrichterelemente in einem an den Enden durch Metallkappen abgeschlossenen Keramikrohr :derart aufeinandergeschichtet sind, daß jeweils die Metallplatte eines Trockengleichrichterelementes die Metallscheibe des folgenden Trockengleichrichterelementes kontaktiert, und daß zwischen einer der beiden Metallkappen und dem dieser nächsten Trockengleichrichterelement eine die Trockengleichrichtersäule zusammendrückende Feder eingefügt ist.
15. Verwendung der Trockengleichrichtersäule nach Anspruch 14 als Hochspannungsgleichrichter.
16. Verfahren zur Herstellung von Trockengleichrichterelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtstück mit der Metallscheibe mittels einer um das Ende des Drahtstückes auf die Metallscheibe aufgelegten Lötringscheibe verlötet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16 oder Verfahren zur Herstellung von Trockengleichrichterelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung des Drahtstückes mit der Metallscheibe unter Ultraschalleinwirkung vorgenommen wird.
18. Verfahren zur Herstellung von Trockengleichrichterelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe, an welcher das Drahtstück angebracht ist, ein Kunstharzlack oder ein Gießharz aufgebracht, dann die Isolierscheibe und die Metallscheibe jeweils mit ihrer Bohrung über :das an der Halbleiterscheibe angebrachte Drahtstück gestreift und danach das Drahtstück auf eine angenähert mit der von der Isolierscheibe abgewandten Oberfläche endenden Länge gekürzt und mit der Metallscheibe verbunden wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1008 088,1011082; schweizerische Patentschrift Nr. 243 490; »Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen«, Bd. 82 (1955), S. 117 bis 122.