DE1262457B - Halbleiteranordnung mit thermoelektrischer Kuehlung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1262457

Aktenzeichen: N 20319 VIII c/21 g

Anmeldetag: 11. Juli 1961

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement in einer Hülle, wobei das Halbleiterelement und eine thermoelektrische Kühleinrichtung in thermischem Kontakt mit einer Wand stehen.

Ein Halbleiterelement besteht aus einem mit Anschlußleitern versehenen Halbleiterkörper und bildet einen Transistor, eine Diode oder einen Photowiderstand. Bringt man ein solches Element in eine Hülle, so ergibt sich eine Halbleiteranordnung.

Im Betrieb wird in einem Halbleiterelement Wärme entwickelt oder aus der Umgebung auf das Element eingestrahlt. Diese Wärme muß abgeführt werden, weil bei Erhitzung die Wirkung des Elements sich verschlechtert oder sogar das Element zerstört wird. Weiter sind im Betrieb die Empfindlichkeit und die Stabilität mancher der Photowiderstände bei einer niedrigen Temperatur, z. B. unterhalb 0° C, besser als bei höheren Temperaturen.

Es ist bekannt, dazu das Halbleiterelement in einer Hülle anzuordnen und in thermischem Kontakt damit eine Kühleinrichtung, ζ. B. ein Peltierelement, anzuordnen.

Bei einer Halbleiteranordnung der obenerwähnten Art erhält man eine besonders zweckmäßige und raumsparende Ausgestaltung, bei der die Kühleinrichtung thermisch gegen die Umgebung abgeschirmt ist, wenn gemäß der Erfindung an dem den inneren Boden eines doppelwandigen Bechers bildenden Wandteil ein Halbleiterelement und von ihm durch die Wand getrennt eine thermoelektrische Kühleinrichtung in gegenseitigem thermischem Kontakt derart angeordnet sind, daß sich das Halbleiterelement in dem durch die Doppelwand des Bechers gebildeten Hohlraum befindet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einer doppelwandigen becherförmigen Hülle die Doppelwand dieser Hülle einen Raum umgibt, in dem die Kühleinrichtung, wie in einem Kleinst-Dewargefäß, untergebracht werden kann. Hierdurch ist die Kühleinrichtung durch eine Doppelwand gegen die Umgebung abgeschirmt, so daß die Kühlwirkung der Kühleinrichtung praktisch völlig zum Kühlen der Halbleiteranordnung benutzt werden kann. Der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem Halbleiterelement ergibt sich einfach dadurch, daß sowohl die kalten Kontaktstücke der thermoelektrischen Kühleinrichtung als auch die des Elements in thermischem Kontakt mit dem Innenboden der Hülle gebracht werden.

Es sei bemerkt, daß unter einem doppelwandigen Becher nicht nur eine Hülle zu verstehen ist, deren Halbleiteranordnung mit thermoelektrischer
Kühlung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Walter Lechner, 5103 Brand

Außen- und Innenwand überall im gleichen Abstand voneinander liegen, sondern auch z. B. eine Hülle, bei der der Abstand zwischen dem Außen- und Innenbogen größer als derjenige zwischen den senkrecht dazu stehenden Seiten ist. Weiter kann z. B. die Becherform der Hülle am Rand einen größeren Durchmesser haben als am Boden, oder es kann nur einer der wesentlichen Teile der Hülle die Gestalt eines doppelwandigen Bechers haben.

Der durch.die Doppelwand des Bechers gebildete Hohlraum ist zweckmäßig evakuiert.

Eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Ausbildung als Photozelle, weil die Empfindlichkeit und Stabilität von Photozellen bei niedriger Temperatur, manchmal eben unter 0° C, erheblich besser sind als bei höheren Temperaturen. Entsprechend kann vorteilhaft der doppelwandige Becher aus lichtdurchlässigem Material, z. B. Glas, bestehen und das Halbleiterelement eine mit elektrischen Anschlußleitern versehene photoempfindliche Halbleiterschicht aufweisen.

Ebenso kann das Halbleiterelement ein Transistor oder eine Diode sein.

Die warmen Kontaktstücke der thermoelektrischen Kühleinrichtung können mit Kühlrippen versehen sein, die aus dem von der Doppelwand der Hülle umgebenen Raum herausragen und durch an ihnen entlangströmende Kühlluft gekühlt werden können.

Eine besonders einfache und gedrängte Bauart, die eine gute Wärmeabfuhr für die warmen Kontaktstücke ermöglicht, ergibt sich dadurch, daß die

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thermoelektrische Kühleinrichtung eine einstufige Kühleinrichtung ist, deren warme Kontaktstücke als eine Kühlwasserleitung ausgebildet sind, deren Enden aus dem Becher herausragen.

Für Halbleiteranordnungen mit großer Wärmeentwicklung im Betrieb, z. B. bei für größe Ströme bestimmten Vorrichtungen, oder für Vorrichtungen, bei denen über eine große Temperaturdifferenz gekühlt werden soll, ist eine besondere intensive

gebung abgeschirmt, so daß Kälteverluste- zur- Umgebung wesentlich herabgesetzt werden.

Die thermoelektrische Kühleinrichtung ist von einer üblichen Art und besteht aus einem p-Halb-5 leiter 5, z.B. aus p-leitendem Wismuttellurid, und einem n-Halbleiter 6, z. B. aus η-leitendem Wismuttellurid, die durch einen wärmeleitenden Steg 7, z. B. aus Kupfer, verbunden sind, der als kaltes Kontaktstück dient. Die warmen Kontaktstücke werden von

Kühlung notwendig. Deshalb ist bei einer bevorzugten io Teilen 8 und 9 gebildet, die gleichfalls aus Kupfer Ausführungsform der Halbleiteranordnung nach der bestehen können. Die Teile 8, 5, 7, 6 und 9 bilden Erfindung die thermoelektrische Kühleinrichtung eine zusammen eine übliche Ausführungsform eines zweistufige Kühleinrichtung, bei der eine Stufe in den Peltierkühlelementes. Der Einfachheit halber ist in

Becher hineinragt, während die warmen Kontakt Fig. 1 nur ein-derartiges Element-gezeigtj-aber-die

stücke dieser Stufe mit den kalten Kontaktstücken 15 Kühleinrichtung kann aus mehreren in Reihe geder zweiten, außerhalb des Bechers befindlichen Stufe schalteten Peltierelementen bestehen, der Kühleinrichtung in thermischem Kontakt stehen, In den warmen Kontaktstücken 8 und 9 sind

elektrisch jedoch gegen diese isoliert sind. Kühlungskanäle 10 und 11 vorgesehen. Die Kühlungs-

Bei einer derartigen Halbleiteranordnung kann die kanäle 10 und 11 sind durch einen mit einer Öffnung Kühlung durch die zweistufige thermoelektrische. 20 12 versehenen elektrisch isolierenden Teil 13, z. B. Kühleinrichtung dadurch verbessert werden, daß die ■ aus Gummi, miteinander verbunden. Der Teil 13. zweite Stufe gleichfalls gegen die Umgebung ab- kann in einer besonders einfachen Ausführungsform geschirmt wird. Dies kann bei einer Halbleiteranord- auch aus einem wasserdichten und elektrisch iso^ nung gemäß der Erfindung auf einfache Weise da- lierenden Klebemittel bestehen. An die Kühlungsdurch erreicht werden, daß eine solche Halbleiter- 25 kanäle 8 und 9 schließen die Anschlußrohre 14 bzw. anordnung in einer zweiten becherförmigen, durch 15 an, die aus dem Raum 2 herausragen. Durch den einen Deckel verschlossenen Hülle untergebracht ist, Kanal 14, 10, 12,11,15 wird im Betrieb Kühlwasser wobei der Boden der doppelwandigen becherförmigen hindurchgeleitet. Der kupferne Teil 8 mit dein AnHülle dem Boden dieser zweiten becherförmigen sehlußrohr 14 und der kupferne Teil 9 mit dem Hülle zugewandt ist, während die thermoelektrische 30 Anschlußrohr 15 können aus je einem Stück her-Kühleinrichtung am Deckel befestigt ist. Die zweite ,: gestellt werden. Die Rohre 14 und 15 dienen auch Hülle kann, mit wärmeisolierendem Material, z.B. als elektrische Anschlüsse für die Kühlvorrichtung; Schaumstoffen, ausgefüllt werden. Die Rohre 14 und 15 sind zu diesem Zweck mit

Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführangs- elektrischen Anschlußdrähten 16 bzw. 17 versehen, beispiele und der Zeichnung nachstehend näher er- 35 Das kalte Kontaktstück 7 steht über eine wärmeläutert. leitende Zwischenschicht 18 mit dem Innenbodenl9

F i g. 1 der Zeichnung stellt schematisch im Längs- der Hülle 1 in thermischem Kontakt, querschnitt eine Halbleiteranordnung nach der Erfin- Die Zwischenschicht 18, z. B. aus Paraffin beste-

dung dar, die als Photozelle ausgebildet und mit einer hend, ist gleichzeitig als Klebemittel zur Befestigung einstufigen thermoelektrischen Kühleinrichtung ver- 40 der becherförmigen Hülle 1 an die Kühleinrichtung 3 sehen ist; zu benutzen. Weiterhin können ein Ring 66 mit Ösen

F i g. 2 stellt eine ähnliche Halbleitervorrichtung mit einer zweistufigen thermoelektrischen Kühleinrichtung und einer zweiten Hülle dar.

67 und 68 mit der Außenwand der Hülle 1 und Teile 69 und 70 isolierend mit den Anschlußrohren 14 bzw. 15 verbunden sein. Zwischen den ösen 67 und 68

Die andere Seite des Innenbodens 19 ist mit einer photoempfindlichen Schicht 20, z, B. einer Gadoliniumsulfidschicht, überzogen, die in thermischem Kon-

Zunächst wird, als Ausführungsbeispiel einer 45 und den Teilen 69 und 70 sind dann Federn 71 bzw.:

Halbleiteranordnung nach der Erfindung, eine Photo- 72 befestigt worden, zelle mit einer einstufigen thermoelektrischen Kühleinrichtung erläutert. Eine solche Vorrichtung enthält
eine doppelwandige evakuierte becherförmige Hülle 1

(F i g. 1), die aus lichtdurchlässigem Material, z. B. 50 takt mit diesem Boden steht, so daß ein thermischer

Glas, besteht. Kontakt zwischen der photoempfindlichen Schicht 20

Die doppelwandige becherförmige Hülle 1 wird und dem kalten Kontaktstück 7 gesichert ist. z. B. durch Aneinanderschmelzen bei 60 von zwei Bei der oben beschriebenen Einrichtung ist die Bechern, wovon der eine einen kleineren Durch- Betriebstemperatur um 50° C gegenüber Zimmermesser hat als der andere, hergestellt. Die Anschluß- 55 temperatur herabzusetzen, aber für eine photoempdrähte 61 und 62 sind bei 63 bzw. 64 an die Hülle 1 findliche Schicht aus Gadolimumsulfid bestehend angeschmolzen und werden auch bei 60 ein- würde man eine Betriebstemperatur von etwa 0° C geschmolzen. Zwischen den Anschlußdrähten 61 und einstellen.

62 ist auf dem Innenboden 19 die photoempfindliche Die Fig. 2 stellt eine ähnliche Vorrichtung nach Schicht 20 angebracht worden. Bemerkt wird noch, 60 der Erfindung dar, wie die F i g. 1, mit dem Unterdaß der Außenboden 65 z. B. erne planparallele schied, daß eine zweistufige thermoelektrische Kühl-Platte sein kann, die mit dem übrigen Teü der Hülle 1 einrichtung Verwendung findet. Entsprechende Teile verschmolzen ist. der F i g. 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugsziffern

In den durch die Doppelwand der becherförmigen bezeichnet. Die in F i g. 1 und 8 und 9 bezeichneten

Hülle 1 umgebenen Raum 2 ragt eine thermoelek- 65 warmen Kontaktstücke 57 und 58 sind in F i g. 2 als

irische Kühleinrichtung 3 hinein. Die Kühleinrich- wärmeleitende Körper, z. B. aus Kupfer, ausgebildet,

tung 3 ist durch die Doppelwand der Hülle 1 mit die über eine wärmeleitende, jedoch elektrisch iso-

einem evakuierten Zwischenraum 4 gegen die Um- lierende Schicht 21, z. B. aus Paraffin, mit den kalten

Kontaktstücken 22 und 23 der außerhalb des Raumes 2 befindlichen zweiten Kühlstufe 24 thermisch verbunden sind.

Die zweite Kühlstufe enthält zwei Peltierelemente 25, 26, 22, 27, 28 und 28, 29, 23, 30, 31, die durch das gemeinsame warme Kontaktstück 28 in Reihe geschaltet und von der gleichen Art wie das bereits in bezug auf F i g. 1 beschriebene Peltierkühlelement 8, 5, 7, 6, 9 sind. Erforderlichenfalls kann die zweite Kühlstufe 24 mit mehr als zwei in Reihe geschalteten Peltierkühlelementen versehen sein. Die warmen Kontaktstücke 25, 28 und 31 der erwähnten Peltierkühlelemente der zweiten Stufe 24 sind durch Schraubenbolzen 32, 33, 34 und 35 mit einer isolierenden Grundplatte 36 verbunden, die z. B. aus Plexiglas bestehen kann. Die warmen Kontaktstücke

57 und 58 sind durch Schraubenbolzen 37 und 38 gleichfalls mit der Grundplatte 36 verbunden. In der Grundplatte sind Aussparungen 39 und 40 zum Durchlaß der Anschlußrohre 41 und 42 des Kühlungskanals 43 vorgesehen. Der Kühlungskanal verläuft durch die warmen Kontaktstücke 25, 28 und 31 und die isolierenden Zwischenstücke 44 und 45. Elektrische Verbindungen mit den warmen Kontaktstücken 57 und 58 werden durch die Anschlußdrähte 46 und 47 hergestellt, die über die Schraubenbolzen 37 und 38 mit den warmen Kontaktstücken 57 bzw.

58 verbunden sind. Die Anschlußrohre 41 und 42 können auch als elektrische Anschlüsse für die zweite Kühlstufe 24 dienen.

Die Kühlwirkung der zweiten Kühlstufe 24 wird durch die Abschirmwirkung der zweiten becherförmigen Hülle 48 mit Deckel 49 gesteigert. Diese zweite Hülle 48 und der Deckel 49 bestehen vorzugsweise aus Plexiglas. Die Grundplatte 36 ist durch Bolzen 50 und 51 mit dem Deckel 49 verbunden, während die becherförmige Hülle 48 mit dem Rand 52 des Deckels 49 verbunden ist. Im Deckel 49 sind Durchlaßöffnungen 53 und 54 für die Anschlußrohre 41 und 42 vorgesehen. Weiter sind Durchführungen 55 und 56 für die Anschlußdrähte 46 und 47 vorgesehen und Durchführungen 81 und 82 für die Anschlußdrähte 61 und 62. Vorzugsweise ist ein Stoßring 59, z. B. aus Gummi bestehend, vorgesehen.

Die Betriebstemperatur dieser Anordnung ist um etwa 75° C gegenüber Zimmertemperatur herabzusetzen. Besteht die photoempfindliche Schicht z. B. aus PbS, dann würde man die Betriebstemperatur auf etwa —40° C einstellen.

Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt. So kann z. B. an Stelle eines Photoleiters ein Transistor oder eine Diode in die doppelwandige becherförmige Hülle eingebaut werden. Die doppelwandige becherförmige Hülle kann dabei aus Metall bestehen, weil sie in diesem Fall nicht lichtdurchlässig zu sein braucht. Die zweite Hülle kann gleichfalls aus Metall bestehen. Die Anschlußrohre und Anschlußleiter müssen dann isoliert hindurchgeführt werden. Bei der doppelwandigen, becherförmigen Hülle kann der Abstand zwischen Außen- und Innenboden größer als derjenige zwischen den senkrecht dazu stehenden Wänden sein. Auch kann diese Hülle am Rand weiter als am Boden sein. Die Bauart und die Befestigung der thermoelektrischen Kühleinrichtung läßt sich auch verschiedentlich abändern. Zum Beispiel kann die Grundplatte 36 der F i g. 2 so ausgebildet werden, daß sie auch als Deckel 49 für die zweite Hülle 48 dienen kann. Auch kann man zur Befestigung statt Bolzen ein Klebemittel benutzen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit thermoelektrischer Kühlung, dadurch gekennzeichnet, daß an dem den inneren Boden eines doppelwandigen Bechers bildenden Wandteil ein Halbleiterelement und von ihm durch die Wand getrennt eine thermoelektrische Kühleinrichtung in gegenseitigem thermischem Kontakt derart angeordnet sind, daß sich das Halbleiterelement in dem durch die Doppelwand des Bechers gebildeten Hohlraum befindet.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Doppelwand des Bechers gebildete Hohlraum evakuiert ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelwandige Becher aus lichtdurchlässigem Material, z. B. Glas, besteht und daß das Halbleiterelement eine mit elektrischen Anschlußleitern versehene photoempfindliche Halbleiterschicht aufweist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ein Transistor oder eine Diode ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrische Kühleinrichtung eine einstufige Kühleinrichtung ist, deren warme Kontaktstücke als eine Kühlwasserleitung ausgebildet sind, deren Enden aus dem Becher herausragen.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrische Kühleinrichtung eine zweistufige Kühleinrichtung ist, bei der eine Stufe in den Becher hineinragt, während die warmen Kontaktstücke dieser Stufe mit den kalten Kontaktstücken der zweiten außerhalb des Bechers befindlichen Stufe der Kühleinrichtung in thermischem Kontakt stehen, elektrisch jedoch gegen diese isoliert sind.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer zweiten becherförmigen, durch einen Deckel verschlossenen Hülle untergebracht ist, wobei der Boden der doppelwandigen becherförmigen Hülle dem Boden dieser zweiten becherförmigen Hülle zugewandt ist, während die thermoelektrische Kühleinrichtung am Deckel befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1002 471,
531, 1080 690.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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