DE1127481B - Leistungsgleichrichter mit einem Halbleiterkoerper aus mit Antimon dotiertem Germanium und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

B 54676 VIII c/21g

ANMELDETAG: 4. SEPTEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. APRIL 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsgleichrichter für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere für Lichtanlagen von Kraftfahrzeugen, mit einem Halbleiterkörper aus mit Antimon dotiertem η-Germanium, in den zur Bildung eines p-n-Uberganges kupferhaltiges Indium einlegiert ist.

Es sind bereits Gleichrichter bekannt, bei denen das als Ausgangswerkstoff für den Halbleiterkörper dienende η-Germanium eine Antimonkonzentration hat, die etwa 10~^e %> beträgt. Derartige Gleichrichter haben zwar im Sperrbereich einen sehr hohen Widerstand und demzufolge nur kleine Sperrströme bei verhältnismäßig hohen Sperrspannungen. Sie besitzen jedoch auch im Durchlaßbereich einen verhältnismäßig kleinen Leitwert und sind daher für große" Lastströme, wie sie bei Lichtanlagen für Kraftfahrzeuge erforderlich sind, nicht geeignet. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Germaniumgleichrichter zu schaffen, die zwar im Sperrbereich einen hohen Widerstand, im Durchlaßbereich dagegen einen möglichst niedrigen Widerstand haben. Diese Aufgabe ist bei einem Leistungsgleichrichter der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem das n-Germanium eine Antimonkonzentration zwischen 2 · 10~⁷ und 1 · 10-⁵⁰/o ha,t und das als Legierungsmetall verwendete Indium einen Reinheitsgrad von 99,999 % besitzt und einen Kupferzusatz zwischen 1 · 10~^G und 1· ΙΟ"²⁰/» enthält.

Es ist zwar bereits bekannt, daß durch Kupferzusätze, besonders in der Größe von l%o und mehr, der Widerstand in der Sperrichtung eines Halbleitergleichrichters wesentlich herabgesetzt werden kann. Gemäß der oben geschilderten Aufgabe kam es jedoch darauf an, den Widerstand in der Durchlaßrichtung zu erniedrigen, den Widerstand in der Sperrichtung dagegen möglichst nicht herabzusetzen. Dies ist nur dann möglich, wenn bei der Kombination der oben angegebenen Maßnahmen die Antimonkonzentration, die Reinheit des als Legierungsmetall verwendeten Indiums und die angegebene Kupferkonzentration die genannten Mindest- und Höchstwerte nicht überschreiten. Durch die Verwendung einer Antimonkonzentration der angegebenen Werte läßt sich die gestellte Aufgabe nur dann lösen, wenn gleichzeitig auch der Reinheitsgrad des Indiums mindestens 99,999% beträgt und der Kupferzusatz zwischen 1 ■ ΙΟ"⁶ und 1 · ΙΟ-²⁰/» Hegt. Dabei muß vor allem darauf geachtet werden, daß der Kupferzusatz 1 · ΙΟ"² o/_o nicht überschreitet, weil sonst der Sperrwiderstand so stark absinkt, daß sich bei den erforderlichen hohen Sperrspannungen große Sperr-

Leistungsgleichrichter

mit einem Halbleiterkörper

aus mit Antimon dotiertem Germanium und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Robert Bosch G.m.b.H., Stuttgart W, Breitscheidstr. 4

Dipl.-Phys. Gotthold Zielasek, Stuttgart, ist als Erfinder genannt worden

ströme einstellen, die zu einer erheblichen Überlastung des Gleichrichters führen.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Gleichrichter im Längsschnitt in vergrößertem Maßstab,

Fig. 2 einen stark vergrößerten und verzerrten Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 die StromspannungskennUnien zweier verschiedener Gleichrichter,

Fig. 4 die Abhängigkeit des Sperrstromes von der Temperatur bei zwei verschiedenen Gleichrichtern, Fig. 5 als zweites Beispiel einen Gleichrichter ebenfalls im Längsschnitt und vergrößertem Maßstab.

Der Gleichrichter nach Fig. 1 ist zusammengesetzt aus einem Kupferbecher 10, einer Zinnfolie 11, einem n-Germaniumplättchen 12, einer Indiumpille 13 und einer Ableitungselektrode 14. Die Innenwände des Kupferbechers 10 sind mit einer Nickelschicht 15 überzogen. Zum Abschluß des Innenraumes ist in den Becher 10 ein Hartpapierplättchen 16 eingepreßt und der oberhalb des Hartpapierplättchens 16 verbleibende Abschnitt mit Gießharz 17 ausgefüllt.

Das Germaniumplättchen 12 ist aus einem Einkristall geschnitten, der zur Erzeugung der n-Leitfähigkeit in einem bekannten Verfahren mit einer Antimonkonzentration von 1 ■ 10~⁶ °/o versehen wurde. Es hat einen Durchmesser von ungefähr 3 mm und eine Dicke von 0,3 mm. Die Indiumpille 13 besteht aus hochgereinigtem Indium mit einem Rein-

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10^s Indiumatome gelöst sein. Um hingegen die Sperrfähigkeit des Gleichrichters nicht wesentlich zu verschlechtern oder gar aufzuheben, darf nicht mehr als 1 Kupferatom auf 10* Indiumatome gelöst werden. Die gelöste Kupfermenge in dem Indium hängt unter anderem von der Temperatur und der gemeinsamen Berührungsfläche sowie von der Zeitdauer des flüssigen Zustandes des Indiums ab. Da die Temperatur für den Legierungsprozeß zwischen dem Indium

heitsgrad von 99,999%. Die Ableitungselektrode wird von einem Kupferdraht gebildet, der vor dem Zusammenbau des Gleichrichters durch Eintauchen in konzentrierte Säure oder auf elektrolytischem Wege mit einer Spitze versehen wurde.

Die Herstellung des Gleichrichters geschieht in folgender Weise:

Der innen vernickelte Kupferbecher 10 wird in eine angepaßte^ in der Zeichnung nicht dargestellte

Graphitform gesteckt. Sodann werden die Zinnfolie io und dem Germanium relativ hoch ist, muß die von 11 und das Germaniumplättchen 12 auf den inneren dem Indium benetzte Oberfläche des Kupferdrahtes Boden des Kupferbechers 10 gelegt. Eine zweite, klein bleiben, und zwar kleiner als die Fläche des ebenfalls nicht dargestellte Graphitform, die in ihrem p-n-Überganges. Dann wird während der Dauer des Außendurchmesser so gewählt ist, daß sie in den Legierungsprozesses gerade die notwendige Menge Kupferbecher hineingeschoben werden kann, nimmt 15 von Kupferatomen vom Indium gelöst, in ihrer zentralen Bohrung die Indiumpille 13 und Nach dem Erkalten des Gleichrichters wird sodann

die Anschlußelektrode 14 auf. Der Durchmesser der das Hartpapierplättchen 16 in den Kupferbecher 10

eingelegt und der Raum oberhalb des Plättchens mit Gießharz ausgefüllt.

Fig. 3 zeigt die bei Zimmertemperatur aufgenommene Stromspannungskennlinie 20 eines in der beschriebenen Weise hergestellten, kupferdotierten Gleichrichters im Vergleich zu der Stromspannungskennlinie 21 eines bekannten Gleichrichters. Daraus

der Zeit wachsende Legierungszone 18, die p-Leit- 25 ist ersichtlich, daß bei hohen Stromstärken in Durchfähigkeit zeigt. An der Grenze der Legierungszone laßrichtung der Spannungsabfall am kupferdotierten 18 zum Germaniumkristall 12 entsteht daher ein p-n- -■;-----■-Übergang 19. Während des Legierens löst das flüssige
Indium aus der Ableitungselektrode 14 einzelne
Kupferatome heraus, die durch Diffusion auch in die 30
Legierungszone gelangen und deren Leitfähigkeit
erhöhen, sobald der Gleichrichter abgekühlt ist, da
sie in der Legierungszone Rekombinationszentren
bilden. Um eine merkliche Erhöhung der Leitfähig-

Bohrung bestimmt den Durchmesser der Fläche des gleichrichtenden p-n-Überganges im Germaniumkristall. Wenn die beiden Graphitformen ineinandergeschoben sind, werden sie in einem Vakuum- oder Schutzgasofen auf etwa 520° C erhitzt. Bei dieser Temperatur legiert das flüssig gewordene Indium mit dem Germanium. Beim Legieren entsteht eine mit Gleichrichter auf ungefähr die Hälfte des Spannungsabfalls an dem bekannten Gleichrichter zurückgegangen ist. Dadurch sind auch die Flußverluste nur mehr halb so groß. Der Sperrstrom des kupferdotierten Gleichrichters ist bei den in einer Lichtanlage auftretenden Sperrspannungen um etwa eine Größenordnung gestiegen, doch hat dies auf die Gesamtverlustleistung praktisch keinen Einfluß, wie folgende

keit zu erzielen, muß mindestens 1 Kupferatom auf 35 kurze Gegenüberstellung zeigt:

Bei Kennlinie

21

Flußverluste ..
Sperrverluste ..
Verlustleistung

A -0,4 V =20 W
0,01 A-20 V= 0,2 W

20,2 W

50 A-0,8 V = 40 W 0,01 A-20 V= 0,02 W

40,02 W

Die Aufheizung des kupferdotierten Gleichrichters infolge der Verlustleistung ist also wesentlich geringer als die eines normalen Gleichrichters. Bei einem Versuchseinbau betrug der Unterschied in der Endtemperatur der Gleichrichter 20° C.

Für die sichere Funktion des Gleichrichters ist nun ausschlaggebend, ob die Sperrströme bei der jeweiligen Endtemperatur des Gleichrichters noch unterhalb des zulässigen Wertes liegen und wie groß die Änderung des Sperrstromes bei geringen Temperaturerhöhungen ist. Den Verlauf des Sperrstromes mit wachsender Eigentemperatur des Gleichrichters zeigt Fig. 4. Für einen kupferdotierten Gleichrichter gilt die Kurve 22, für einen ohne Kupferdotierung hergestellten Gleichrichter die Kurve 23. Beide Kurven zeigen, daß die Sperrströme bei hohen Eigentemperaturen plötzlich sehr stark ansteigen. Dies beruht darauf, daß die Eigenleitfähigkeit des Germaniums sehr stark temperaturabhängig ist, da oberhalb einer bestimmten, von der Stärke der Dotierung des Germaniums abhängigen Temperatur die freien Elektronen im Leitfähigkeitsband des Germaniums lawinenartig zunehmen. Aus Fig. 4 läßt sich nun entnehmen, daß der kupferdotierte Gleichrichter den zulässigen Sperrstromwert zwar bereits bei einer geringeren Eigentemperatur erreicht als der normale Gleichrichter. Dies beruht auf dem höheren Sperrstrom bei Zimmertemperatur. Doch ist der Unterschied zwischen den Eigentemperaturen, bei denen die beiden Gleichrichtertypen den zulässigen Sperrstromwert erreichen, nicht so groß wie der Unterschied in den Betriebstemperaturen, der sich bei gleicher, hoher Umgebungstemperatur und bei voller Belastung einstellt. Dieser Betriebstemperaturunterschied beträgt 20° C, während der Eigentemperaturunterschied beim zulässigen Sperrstrom 12° C beträgt. Geht man von einer solchen Umgebungstemperatur T_n aus, bei welcher der normale Gleichrichter bei voller Belastung gerade den zulässigen Sperrstromwert erreicht, so folgt aus dem oben dargelegten Sachverhalt, daß der kupferdotierte Gleichrichter bei voller Belastung den zulässigen Wert des Sperrstromes nicht erreicht. Überdies ist die Zunahme des Sperrstromes des kupferdotierten Gleichrichters bei einer geringen Temperaturerhöhung

nicht so groß wie bei einem normalen Gleichrichter. Diese verdeutlichen die bei den jeweiligen Betriebstemperaturen an die Kurven 22 und 23 gezogenen Tangenten. Geht man aber davon aus, daß beide Gleichrichter bei voller Belastung den zulässigen Sperrstromwert erreichen dürfen, dann läßt sich aus der Fig. 4 folgern, daß für den kupferdotierten Gleichrichter eine um 8° C höhere Umgebungstemperatur zulässig ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Leistungsgleichrichter mit großem p-n-Ubergang, der nach einem anderen Verfahren mit Kupfer dotiert ist. In Fig. 5 sind die mit dem Beispiel nach Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit derselben Bezugszahl bezeichnet. Das eine Antimonkonzentration von 1 · 10~⁶% enthaltende Germaniumplättchen 12, das eine Dicke von rund 0,3 mm und einen Durchmesser von ungefähr 20 mm hat, wird zunächst in einem Vakuum- oder Schutzgasofen bei etwa 550° C mit hochgereinigtem Indium, das einen Reinheitsgrad von 99,999% hat, legiert, so daß sich eine Legierungszone 18 und der p-n-Übergang 19 ausbilden. Zur gleichen Zeit wird die Endfläche eines Kupferbolzens 24, der den gleichen Durchmesser wie die Indiumpille 13 hat, bei der gleichen Temperatur von etwa 550⁰C mit einer Haut aus Indium mit einem Reinheitsgrad von 99,999% überzogen. Bei diesem Vorgang löst das Indium Kupferatome aus dem Bolzen 24. Im nächsten Verfahrensschritt wird die mit Indium überzogene Endfläche des Kupferbolzens 24 mit der Indiumschicht auf dem Germaniumkristall 10 bei einer Temperatur von rund 300° C im Vakuum- oder Schutzgasofen verlötet. Dabei gelangen Kupferatome, die bisher nur in der Indiumhaut auf dem Bolzen 24 enthalten waren, durch Diffusion auch in die Indiumschicht auf dem Germaniumkristall und in die Legierungszone 18 und erhöhen damit deren Leitfähigkeit. Gleichzeitig wird die so aufgebaute Anordnung durch ein Zinnlot 11 in dem vernickelten Innenraum des Kupferbechers 10 befestigt. Der große Durchmesser des Kupferbolzens 24 bietet nicht nur eine große elektrische Kontaktfläche, sondern hat gleichzeitig den Vorteil einer guten Wärmeableitung. Um diese Wärmeableitung zu unterstützen, kann man noch den aus dem Becher herausragenden Teil des Bolzens 21 und den Becher selbst mit Kühlrippen versehen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Leistungsgleichrichter für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere für Lichtanlagen von Kraftfahrzeugen, mit einem Halbleiterkörper aus mit Antimon dotiertem η-Germanium, in den zur Bildung eines p-n-Überganges kupferhaltiges Indium einlegiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das n-Germanium eine Antimonkonzentration zwischen 2 · 10~~⁷ und 1 · 10~⁵% hat und daß das als Legierungsmetall verwendete Indium einen Reinheitsgrad von 99,999% besitzt und einen Kupferzusatz zwischen 1 · IO-⁶ und 1· 10-²% enthält.

2. Leistungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das n-Germanium eine Antimonkonzentration von 1 · 10~⁶ % hat.

3. Leistungsgleichrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferzusatz im Indium 1 · 10~^s % beträgt.

4. Leistungsgleichrichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang eine solche Fläche hat, daß sich in ihm bei der größten Betriebsstromstärke höchstens eine Stromdichte von 2 A/mm², vorzugsweise eine solche zwischen 0,5 und 1,0 A/mm² ergibt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsgleichrichters nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Kupfer bestehende Anschlußelektrode (14, 24) während des Legierungsprozesses mit der Indiumschicht (13) so verbunden wird, daß nur ein Teil der Oberfläche der Anschlußelektrode, der kleiner ist als die Fläche des p-n-Überganges, mit der Indiumschicht in Berührung kommt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Verbindungsstelle sich verjüngende Anschlußelektrode (14) verwendet wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Germaniumleistungsgleichrichters nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer dem reinen Indium anschließend an den an sich bekannten Legierungsprozeß zwischen dem reinen Indium und dem dotierten Germanium zugesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Kupfer bestehende Anschlußelektrode anschließend an das Legieren bei einer gegenüber der Legierungstemperatur tieferen, zwischen 200 und 400° C liegenden Temperatur mit der Indiumschicht in Berührung gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Kupfer bestehende Anschlußelektrode zunächst mit reinem Indium bei der für den Legierungsprozeß erforderlichen Temperatur überzogen wird, so daß Kupferatome in das Indium eindiffundieren, und daß dann die derart behandelte Anschlußelektrode mit der Indiumschicht des Gleichrichters bei einer tieferen, zwischen 200 und 400° C liegenden Temperatur verlötet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelektrode (24) den gleichen Querschnitt wie der p-n-Übergang am Gleichrichter hat.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlöten einer zweiten Anschlußelektrode (10) an den Germaniumkristall (12) während des Legierungsprozesses erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1026 875, 697, 1 058 632, 1 064153.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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