DE1439442A1 - Halbleiterstromtor vom pnpn-Typ - Google Patents

Halbleiterstromtor vom pnpn-Typ

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DE1439442A1
DE1439442A1 DE19641439442 DE1439442A DE1439442A1 DE 1439442 A1 DE1439442 A1 DE 1439442A1 DE 19641439442 DE19641439442 DE 19641439442 DE 1439442 A DE1439442 A DE 1439442A DE 1439442 A1 DE1439442 A1 DE 1439442A1
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Siemens AG
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Description

AKTIENGEUSLLSWiAFT Erlangen, 1. Aug. 1968
PLA
ii'jl bieiterstromtor vom pnpn-Typ
Haibieiterstromtore vom pnpn-Typ besitzen einen im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper mit vier hintereinander geschulte ten Zonen jeweils entgegengesetzten Lei tfahigkeit, styps. Lie beiden äußeren Zonen werden häufir als Emitter bezeichnet, während die beiden inneren Zonen ais :3asen bezeichnet werden. Bei bekannten Bauarten derartiger Halbleiterstromtore, die auch als steuerbare Gleichrichter bezeichnet werden, besteht der einkristalline Halbleiterkörper aus einer flachen Scheibe, auf deren beiden Fiaehseiten die beiden äuüeren Zonen und ihre Kontaktelektroden fiächenhaft angeordnet, sind, und bei dem eine Kontekteiek-
- 1 - BAD OBiGSNAt
809811/0299 ΗιΑβ
PLA 64/1577
trode für die eine innere Zone in einer Aussparung der benachbarten äußeren Zone auf der gleichen Flachseite angeordnet ist. Diese Kontaktelektrode der inneren Zone wird häufig als Zündelektrode bezeichnet» da sich mit ihrer Hilfe ein Strom durch den zwischen dieser inneren Zone und der benachbarten äußeren Zone befindlichen pn-übergang schicken läßt, der das Zünden des Stromtores, d.h. den Übergang vom nichtleitenden in den leitenden Zustand des Stromtores, bewirkt. Ein derartiges Halbleiterstromtor ist z.B. in dem Aufsatz "Das Siliziumstromtor BSt L .02" von AdolfHerlet, Kurt Raithel und Eberhard Spenke in der Siemens-Zeitschrift, 37. Jahrgang, April 1963, Heft 4 auf den Seiten bis 294 beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von Halbleiterstromtoren, insbesondere hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit. Die Halbleiterstromtore werden insbesondere in ihrer Brauchbarkeit für Anwendungsfälle verbessert, in denen ein 3teiler zeitlicher Stromanstieg vorkommen kann. Außerdem wird durch die Erfindung für eine Vergleichmäßigung des Stromflusses über den gesamten Emitterquerschnitt gesorgt. ·
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterstromtor vom pnpn-Typ mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und vier durch pn-Übergänge voneinander getrennten Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren Zonen (Emitter) und ihre Kontaktelektroden flächenhaftauf den beiden Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet" sind, und bei dem eine Kontaktelektrode für die eine innere Zone
8098 IW & 2-9 9 sad obisünal si/Htt-
«5 . PLA 64/1577
(Basis) in einer Aussparung der angrenzenden äußeren Zone auf der gleichen Plachseite angeordnet ist, sowie mit die Kontaktelektroden flächenhaft berührenden metallenen Anschlußteilen. Erfindungsgemäß weisen die Anschlußteile für die beiden äußeren Zonen eine solche Flächengröße auf, daß sie an allen Stellen über den Flächen· rand der zugehörigen Kontaktelektroden hinausragen. Vorteilhaft ragen die Anschiußteile etwa 0,5 .mm über den Flächenrand der zugehörigen Kontaktelektrode hinaus. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlußteile zumindest teilweise nach Art £ eines lotfreien Edelmetalldruckkontaktes auf die Kontaktelektroden aufgebracht.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles, aus dem weitere Einzelheiten und Vorteile hervorgehen, näher erläutert werden.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Halbleiterstromtor in der Aufsicht und im Schnitt dargestellt, .
Pig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 2 mit einer herkömmlichen ™ Anordnung der Anachlußteile,
Pig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung der Anschlußteile an den Kontaktelektroden,
in Pig. 5 1st ein in ein Gehäuse eingeschlossenes Halbleiterstromtor dargestellt.
• IJös Halblelterstroetor nach den Pig. 1 und 2 kann z.B. in folgender Weis© hergestellt werden: ' Ein« Halbleiterscheibe 2, die beispielsweise aus einkristallinem
• . ' 80981 1/0299
, -.· - 3 - Si/Htt
PIA 64/1577 ■ ' .'
η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von • 20 bis 30 Ohm cm bestehen und eine Dicke von etwa 300 Ά haben kann, wird durch Eindiffundieren eines eine p-Leitung hervorrufenden Stoffes, beispielsweise Aluminium, Gallium und/oder Bor mit einer p-leitenden Oberflächenschicht 3 von beispielsweise etwa 70 /u Tiefe versehen. Die Schicht 3 kann z.B. durch Erhitzen der Siliziumscheibe auf etwa 123O0C in einem evakuierten Quarzgefäß unter Anwesenheit von Aluminium hergestellt werden. Auch das Aluminium wird auf dieser Temperatur gehalten. Die Dauer der Behandlung kann etwa 35 Std. betragen. Es können Halbleiterscheiben von 10 bis 35 mm, z.B. 18 mm Durchmesser verwendet werden. In die so vorbereitete Halbleiterscheibe kann z.B. auf der oberen Flachseite ein ringförmiger Graben eingeätzt oder eingefräst werden, dessen Tiefe an jeder Stelle größer ist als die Dicke der eindiffundierten p-leitenden Schicht 3, so daß von dieser Schicht 3 eine kreisscheibenförmige Schicht 4 abgetrennt wird. Man kann die Auftrennung der die Halbleiterscheibe umgebenden p-leitenden-Schicht in zwei Zonen 3 und 4, die auf den beiden Flachseiten aufliegen, auch in der Weise vornehmen, daß der gesamte Seitenrand der Scheibe entfernt wird; z.B. kann der gesamte Rand abgeschliffen, abgeätzt oder durch Sandstrahlen entfernt werden, zweckmäßig schräg abfallend, wie in Pig. 2 dargestellt.
In die p-leitende Schicht 4wird eine ringscheibenförmige ca. 0,5 # Antimon enthaltende Goldfolie einlegiert, welche bei der Abkühlung von der Legierungstemperatur eine Elektrode 5 und eine ihr vorgelagerte η-leitende Zone 6 und damit einen pn-rübergang bildet, der in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist« In die Aus-
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- 4 - . Si/Hü.
ö .' PIA-64/1577
aparung im Zentrum der Elektrode 5 wird eine scheibenförmige Elektrode 7» die später als Zündelektrode dient, einlegiert, beispielsweise indem eine etwa 0,05 # Bor enthaltende Goldfolie einlegiert wird. Biese Elektrode 7 kontaktiert die p-leitende Schicht 4 sperrfrei.
Bie Zonen 2 und 4 bilden die beiden inneren Zonen (Basen), von denen die Zone 4 durch die Kontaktelektrode 7 kontaktiert ist, während die Zonen 3 und 6 die beiden äußeren Zonen (Emitter) darstellen.
Die auf der gegenüberliegenden Flachseite des Halbleiterkörpers befindliche p-leitende Zone 3 wird durch Einlegieren einer Elektrode 8 ebenfalls sperrfrei kontaktiert. Hierfür kann eine Folie gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung wie die für die Herstellung der Zündelektrode 7 verwendete benutzt werden. Bie aus ca. 30 bis 50 /U dicken Goldfolien hergestellten Elektroden 5, 7 und 8 können zweckmäßig im gleichen Arbeitsgang bei ca. 7000G einlegiert werden. Gegebenenfalls können die einzelnen Zonen auch mit anderen Stoffen kontaktiert werden, z.B. kann die Zone 3 ait Hilfe einer aufgelegten Aluminiumfolie, die dann bei höherer Temperatur, a.B. 7500C, einlegiert werden kann, kontaktiert werden. Zweckmäßig wird ein Trägerkörper 9f der z.B. aus Molybdän bestehen und etwa 2 mm dick sein kann, gleichzeitig mit der Elektrode 8 anlegiert.
In Pig. 3 iat ein entsprechender Teil der Oberfläche des HaIbleiteratromtoree gemäß Pig. 2 vergrößert herausgezeichnet. Ss
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W PLA 64/1577
sind ebenfalls zwei Anschlußteile 20 und 28 dargestellt, die zur Stromzuführung zu den Kontaktelektroden 5 und 7 dienen. Sie können z.B. auflegiert sein, sie können aber auch nach Art eines lotfreien Edelmetalldruckkontaktes auf die Kontaktelektroden aufgebracht sein. Fig. 3 zeigt die bisher übliche Weise des Aufbaus derartiger Stromzuführungen. Sie werden so bemessen, daß ihre Aufsetzfläche um ein Weniges geringer ist, als die Fläche der zugehörigen Kontaktelektrode. Auf diese Weise bleibt der Rand der Kontaktelektrode unbedeckt und z.B. für Ätzungen u. dgl. zugänglich. Bin wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist aber darin zu sehen, daß bei einem plötzlichen Stromanstieg der Rand der Kontaktelektrode nicht genug gekühlt wird. Die metallenen Anschlußteile 20 und 28 dienen nämlich gleichzeitig zur Wärmeabführung und bzw. oder -verteilung. Wenn nun ein Strom durch" die Zündelektrode 7 zugeführt wird, so wird der pn-übergang zwischen den Zonen 6 und 4 zunächst nur an dem der Zündelektrode 7 benachbarten Rand durchlässig gemacht. Die Zündung pflanzt sich swar von dieser Stelle bzw. von diesen Stellen mit verhältnismäßig großer G-escnwindigkeit über die gesamte Fläche des pn-Überganges fort. Die dafür benötigte Zeit hat aber dennoch einen wenn auch kleinen so doch. ausreichend großen Wert, daß der Stromfluß zwischen der Hauptelektrode 5 und der gegenüberliegenden Elektrode 8 ebenfalls zunächst über den der Zündelektrode 7 benachbarten Teil der Elektrode 5 geführt wird. Wenn nun z.B. durch die äußeren Teile des Stromkreises, in dem das Halbleiterstromtor eingeschaltet ist, bedingt der Stromanstieg über der Zeit sehr schnell erfolgt, so kann es vorkommen, daß die Stromdichte am Rand der Elektrode 5 zu hoch ist, als daß die Wärmeabführung ausreicht. In diesem Falle kommt es dann zu
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- 6 - - Si/Hü '
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einer Zerstörung des pn-Überganges an dieser Stelle.
Pig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Lösung, die darin besteht, daß die Anschlußteile 20 bzw. 28 so weit vergrößert werden, daß ihr Rand über den Rand der zugehörigen Kontaktelektroden hinausragt. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß die Kontaktelektrode 5 bis zum Rand der wärmeabfuhrenden Wirkung des benachbarten metallenen Anschlußteiles 20 ausgesetzt ist. Die Wärmekapazität dieser Anschlußteile ist so groß, daß der Durchschlag des pn-Uberganges verhindert werden kann, auch wenn der Stromanstieg sehr schnell erfolgt. Durch die neue Bauart wird auch im normalen Betrieb für eine bessere Stromverteilung gesorgt.
In den Zeichnungen sind der Deutlichkeit halber die einzelnen Teile des Halblelteretromtöres insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt. Die wirkliche Dicke der Kontaktelektrode 5 beträgt z.B. 40 bis 80 /U, die Dicke der Zone 6 kann zwischen Ϊ0 und 50 /U liegen, während das Anschlußteil 20 beispielsweise ähnlich wie die Trägerscheibe 9 eine Dicke von 1 bis 3 tm haben kann. Bas Anschlußteil 28 hat eine geringere Bedeutung, weil es nur «ur Zuführung des Zündstromes dient, der eine verhältnismäßig geringe Stromstärke hat, z.B. 1 A bei einem Durchlass troa von 100 bis 600 A. Dennoch kann auch hier die erfindungs- mä&e Ausbildung vorgesehen sein« daß die Flächengröße so diaenaioftJLert let» daß das AaechluSteil an allen Stellen über den
Kontaktelektrode 7 hinausragt.
Vorteilhaft ist der Hand des" Anschlußteiles 20, wie in Fig. 4 dar-
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- 1 - Si/Hü
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gestellt, sowohl am Innenrand benachbart der Zone 4 als auch am Außenrand benachbart den Zonen 4 und 2 abgerundet, wodurch größere Feldstärken verhindert werden, die bei einer kantigen Ausführung gegebenenfalls zum Durchschlag der geringen Strecke zwischen dem Teil 20 und der Zone 2 führen könnten. Der Abstand zwischen den Kontaktelektroden 5 und 7 kann z.B. 0,8 bis 1,5 mm betragen.
Das gekapselte Halbleiterstromtor gemäß Fig. 5 besteht zunächst aus einem Bodenteil 11 und einem aus den Teilen 12 bis 15 zusammengesetzten glockenförmigen Oberteil. Das Bodenteil 11 kann beispielsweise als Kühlkörper ausgebildet sein und z.B. aus Kupfer bestehen. Die Teile 12 und 14 bestehen zweckmäßigerweise aus einer Eisen-Nickel -Kobalt-Legierung, wie z.B. Fernico, Vacon oder Kovar. Ein zylindrisches Keramikteil 13 dient zur Isolierung der.;. Teile 12 und 14 voneinander. Es ist an den Stellen, an denen die Teile 12 und 14 angesetzt werden, metallisiert, wodurch die Möglichkeit besteht, diese Teile auf dem Keramikteil 13 anzulöten. Mit dem Bodenteil 11 kann das glockenförmige Oberteil durch Anbördeln eines hochstehenden ßandes des Bodenteils verbunden werden. Das Teil 15 kann beispielsweise ebenfalls aus Köpfer bestehen und mit dem Teil 14 durch Lötung oder Schweißung verbunden sein. Die eigentliche Halbleiteranordnung 16, welche beispielsweise einen Aufbau gemäß den Figuren .1 bis 4 aufweisen kann, ist mit der Trägerplatte 9, welche beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram bestehen kann, verbunden, z.B. durch Anlegieren der Elektrode 8. Gegebenenfalls können Zwischenschichten vorgesehen werden, welche das Anlegier.en erleichtern, z.B. eine Silberplattierung o. dgl. Die Trägerplatte 9 liegt auf einem erhabenen Vorsprung des Bodenteils 11 auf. Zweckmäßigerweise wirct die Unterseite der Träger-
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J .' PLA 64/1577
platte 9 mit einem Edelmetall, wie beispielsweise Silber, plattiert bzw. es wird eine aus Silber bestehende Folie von beispielsweise 100 /U Dicke zwischen dem Bodenteil und der Trägerplatte eingelegt.
Vorteilhaft wird die Verbindung zwischen dem Bodenteil 11 und der Trägerplatte 9 gemäß der deutschen Patentanmeldung S 75 565 VIIIc/29 (unsere PLA 61/1598) ausgeführt. Die aufeinander ruhenden Oberflächen werden vor dem Zusammenbau geläppt, wobei der Läppvorgang so geführt wird, daß die Oberflächen eine Rauhtiefe zwischen 0,5 bis 50/U, vorzugsweise zwischen 1 und 3/U aufweisen. Nach dem Läppen ist jede der beiden Kontaktflächen in so hohem Grade eben, daß die beiderseitigen Abweichungen der gemittelten Fläche von. einer geometrischen Ebene nicht größer sind als die Rauhtiefe. Man kann auch eine der beiden Oberflächen polieren, wobei aber darauf zu achten ist, daß die für gewöhnlich beim Polieren entstehende.Wölbung der Oberfläche nicht zu einer größeren Abweichung der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene führt. Mindestens eine der beiden Oberflächen muß jedoch die beschriebene Rauhigkeit aufweisen.
Auf die Oberfläche des Halbleiterbauelementes 16 ist ein hohlzylinderförmiges Stromzuführungsteil, welches aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist, aufgesetzt, und zwar in der Weise, daß es die kreisringförmige Legierungselektrode 5 großflächig berührt. Das Stromzuführungsteil besteht aus einem rohrförmigen Kupfer- . teil 18, einem Kupferring 19 und einer Kreisringscheibe 20, welche beispielsweise aus Molybdän bestehen kann. Diese Teile sind zweck-
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- 9 - Si/Hü
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mäßigerweise durch Hartlötung miteinander verbunden. Die Molybdänscheibe 20 ist zweckmäßigerweise auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite ebenfalls silberplattiert. Pur die Berührung zwischen der Kontaktelektrode 5 und der Molybdänscheibe 20 gilt das oben über die Verbindung zwischen der Molybdänscheibe 17 und dem Kupferboden 11 Gesagte.
Eine beispielsweise aus Stahl bestehende Kreisringscheibe 21, eine Glimmerscheibe 22, welche zur Isolation und Zentrierung dient, eine weitere Stahlscheibe 23, sowie drei Tellerfedern 24, 25 und 26 vervollständigen den Aufbau bis zu einem glockenförmigen Halteteil 27, welches über diesen Aufbau gestülpt ist, und welches mit einem unten angebrachten Flansch ebenfalls an dem Bodenteil 11 angebördelt werden kann. Die Verbindung zwischen dem Bodenteil und dem Halteteil 27 kann selbstverständlich auch in anderer Weise, z.B. durch Verschrauben oder Versehweißen, bewirkt werden. Das gleiche gilt für die Verbindung zwischen dem Bodenteil und dem Teil 12.
Durch das aus den Teilen 19, 18 und 20 zusammengesetzte Stromzuführungsteil ist eine Bohrung geführt, welche im unteren Teil erweitert ist, so daß sich eine Schulter ergibt. Ein Stromzuführungsteil 28, welches beispielsweise aus einem Kupferstift bestehen kann, ist auf die Kontaktelektrode 7 aufgesetzt. Vorteilhaft ist die Aufsetzfläche dieses Stromzuführungsteiles 28 ebenfalls silberplattiert bzw. galvanisch versilbert und durch einen Läppvorgang vollkommen geebnet. Eine Schraubenfeder 29 dient zum Anpressen dieses Stromzuführungsteils 28 auf die Kontaktelektrode 7. Mit ihrem oberen Ende stützt sieh diese
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Schraubenfeder gegen die im Inneren des ersten Stromzuführungsteils angebrachte Schulter, während das untere Ende der Schraubenfeder 29 auf eine an dem Stromzuführungsteil 28 starr angebrachte Scheibe 30 drückt. Zwischen der Schraubenfeder und der Schulter bzw. der Scheibe 30 befinden sich je eine Isolierscheibe 30 bzw. 32, welche beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen (Teflon) bestehen können. Ein zusammendrückbarer Isolierschlauch 33 umgibt den Stift 28 und isoliert diesen somit gegen die Schraubenfeder Am oberen Ende des Stiftes 28 ist ein Draht, beispielsweise ein Silberdraht 34, befestigt, welcher durch die Bohrung des Teils geführt ist. Ein Isolierschlauch 35, der beispielsweise .aus Silicongummi bestehen kann, isoliert die Teile 18 und 34 gegeneinander. Am oberen Ende des Teiles 18 ist eine Stahlhülse 36 eingesetzt, welche verhindert, daß beim Anbördeln des Teiles.15 an das Teil 18 dieses zusammengequetscht und damit die Isolierung in seinem Inneren beschädigt wird.
Beim Zusammenbau des gekapselten Halbleiterbauelements werden zweckmäßigerweise die Teile 21 bis 27 auf das aus den Teilen 18, 19 und 20 zusämmengesetzteStromzuführungsteil aufgeschoben, die Teile 28 bis 36 innerhalb dieses Stromzuführungsteiles befestigt und das Ganze auf das Halbleiterbauelement, welches sich auf dem Bodenteil 11 befindet, aufgesetzt. Anschließend wird das Teil 27 »ngebördelt, wodurch eine verhältnismäßig etarre Befestigung dieser Teile erreicht wird. Danach wird das aus den Teilen 12 bis 15 bestehende glockenförmige Oberteil des Gehäuses über diese Anordnung gestülpt und an dem Bodenteil 11 ebenfalls durch ' Bördelung befestigt, sowie die Teile 15 und 18 durch allseitige Anquetschung miteinander verbunden.
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PLA 64/1577
Ein Isolierteil 37 dient im oberen Ende des Teiles 15 zur Isolation des Drahtes 34. Es besteht zweckmäßigerweise ebenfalls aus Polytetrafluoräthylen (Teflon). Eine hohlzylinderförmige Metallhülse 38, die beispielsweise aus Silber bestehen kann, ist in dieses Isolierteil 37 eingesetzt. Mit Hilfe eines Gießharzes 39 ist der Hohlraum zwischen dem Teil 15 und dem Hohlzylinder ausgefüllt und somit vakuumdicht abgedichtet. Ein Lottropfen 40 dient schließlich zur völligen Abdichtung des Innenraumes des Gehäuses gegen die Außenluft. .
5 Figuren
3 Patentansprüche
8098 11/029 9
- 12 - - Si/Hü '

Claims (3)

  1. /fi . ' PLA 64/1577
    Patentansprüche
    Λ Halbleiterstromtor vom pnpn-Typ mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und vier durch pn-Übergänge voneinander getrennten Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren Zonen (Emitter), und ihre Kontaktelektroden flächenhaft auf den beiden Plachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind, und bei dem eine Kontaktelektrode für die eine innere Zone (Basis) in einer Aussparung der angrenzenden äußeren Zone auf der gleichen Flachseite angeordnet ist, sowie mit die Kontaktelektroden flächenHaft berührenden metallenen Anschlußteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußteile für die beiden äußeren Zonen eine solche Flächengröße aufweisen, daß sie an allen Stellen über den Flächenrand der zugehörigen Kontaktelektroden hinausragen.
  2. 2. Halbleiterstromtor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußteile etwa 0,5 mm über den Flächenrand der zugehörigen Kontaktelektrode hinausragen.
  3. 3. Halbleiterstromtor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußteile, zumindest teilweise, nach Art eines lotfreien Edelmetall-Druckkontaktes auf die Kontaktelektroden aufgebracht sind.
    80981 1/0299
    - 13 - Si/Hü
DE19641439442 1964-09-12 1964-09-12 Halbleiterstromtor vom pnpn-Typ Pending DE1439442A1 (de)

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US3368121A (en) 1968-02-06
SE319558B (de) 1970-01-19
BE669332A (de) 1966-03-08
NL6507691A (de) 1966-03-14
GB1116363A (en) 1968-06-06

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