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| J@'inrichtung für Halbleiteranordnungen-mit" |
| pn=h'a---z- |
| rkc eE = |
| Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen |
mit p-n-Charakter, wie sie z. B. als Flächengleichrichter oder Transistoren benutzt
werden. Ihr liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß sich bei solchen Halbleiteranordnungen
für die Sperrichtung bevorzugt am Rande der p-n-Schicht relativ hohe Stromdichten
und somit relativ hohe elektrische Verlustleistungsdichteh, verbunden mit entsprechenden
Erwärmungen ; ergeben, die bevorzugt als punktförmige Erhitzung in Erscheinung'treten
können. Diese Erscheinungen haben ihre Begründung in den Störgebieten, die in den
Randzonen einer solchen p-n-Schicht vorliegen. Diese Verlustleistungsdichten führen
zu einer erhöhten Erwärmung und wegen des negativen Temperaturkoeffizienten des
Sperrwiderstandes der p-n-Schicht zu einer immer weiter ansteigenden Erwärmung an
diesen Stellen. Auf diese Weise können, ausgehend von der Randzone der p-n-Schicht,
durch die anwachsende temperaturmäßige Beanspruchung unerwünschte Schäden für die
gesamte Anordnung entstehen.
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Die entstandene Wärmemenge kann meist nicht in'genügend wirksamer
Weise von den nahezu punktförmigen Wärmequellen abgeführt werden,
Neue
Seite 2 der Beschreibung denn der Ausbreitungswiderstand von der punktförmigen Warmequelle
behindert stark die Wärmeleitung von diesen Stellen der Randzone der p-n-Schicht
zum Inneren des Halbleiters.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für
Halblkiteranordnungen mit p-n-Charakter mit Verwendung eine. umlaufenden flüssigen
Kühlmittels, bei der diese Nachteile vermieden Rind. Die Erfindung besteht darin,
daß im Kühlmittelbehälter zur Lenkung des Kühlmittelumlaufes Zwischenwände engeordnet
sind, die derart wirken, daß vorwiegend die Randzonen d@@ p-n-Schicht vom Kühlmittel
bespült werden. Das hierbei benutzte Kühlmittel soll sich vorzugsweise durch eine
möglichst große spezifische Wärme auszeichnen, um schnell und wirksam möglichst
große Wärmemengen von den zu kühlenden thermisch gefährdeten Punkten bzw. Stellen
der Randzone der p-n-Schicht abführen zu können. Bei einer örtlich starken Erhitzung
wird weich auge Weise gegebenenfalls eine Dampfbildung aus dem flüssigen Kühlmittel
ergeben, was unter dem Gesichtspunkt der dabei verbrau@@@@@
| 'aapfungswärmG o\n wirksame Kühlung bedeutet. Damit die |
| 'wirksame Kühlung stets gewährleistet ist, wird die Anordnung |
| voramewoisa derart getroffen, daß einerseits solche entwickelten |
Dampfblasen Möglichst schnell, vorzugsweise unter Ausnutzung den Auftrieb, in der
Flüssigkeit abströmen können und andererseits durch Schaffung eines selbsttätigen
Umlaufs der Flüssigkeit an den zu kühlenden Stellen vorbei, z. B. durch Benutzung
der Thermoeyphonwirkung, stets für eine schnelle Zufuhr von neuem flüssigen Kühlmittel
zu denjenigen Stellen gesorgt wird, an denen eine Dampfbildung stattgefunden hatte,
gegebenenfalls kann statt der einfachen Thermophonwirkung bei größeren Halbleiteranordnungen
auch eine foreierte Flüssigkeitskühlung, z. B. mittels einer Pumpeinrichtung, angewendet
werden.
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Um die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels auf einen vorbestimmten
Wert festzulegen und somit die Temperaturerhöhung der zu kühlenden Stelle zu begrenzen,
ist es vorteilhaft, den das Kühlmittel einschließenden Raum nach außen völlig abzuschließen
und den Druck im Kühlmittelkreislauf entsprechend festzulegen.
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Diese Festlegung kann je nach der als Kühlmittel benutzten
| Flüssigkeit in einer Erhöhung dos inneren Gasdruckes dieses |
| Raumes gegenüber dem äußeren Luftdruck oder in einer HerabsetsMSg |
gegenüber diesem bestehen. Wird z. B. als Kühlmittel Wasser benutzt,
so wird der Gasdruck in dem Gefäß gegenüber dem äußeren Luftdruck vorzugsweise herabgesetzt,
während bei Anwendung eines Kühlmittels mit bei Atmosphären-Druck niedrigem Verdampfung
druck sich auch eine Steigerung des Dampfdruckes in dem Gefäß empfehlen kann, wobei
diese gegebenenfalls durch ein in das Gefäß eingebrachtes neutrales Gas bestimmt
werden kann, wie z. B. ein Edelgas oder Stickstoff.
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Es kann sich in Verbindung mit der Erfindung empfehlen, für eine leichte
Ablösbarkeit der sich entwickelnden Dampfblasen von der Oberfläche zu sorgen, an
der sie entwickelt werden} d, ho also ihre Adhäsion gegenüber den zu kühlenden Flächen
herabzusetzen und diejenige gegenüber der Kühlflüssigkeit möglichst zu steigern.
In dieser Hinsicht zweckmäßig ist beispielsweise die Zugabe von Stoffen, die die
Oberflächenspannung der Flüssigkeit herabsetzen und/oder das Überziehen der Oberfläche,
insbesondere der Randzone der. Sperrschicht mit elektrisch isolierenden Stoffen,
die den etwaigen Siedeverzug herabsetzen, also Bo durch Bedampfung mit einer etwa
1 starken oder noch dünneren porösen Quarzschicht.
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Einige beispielsweise Anordnungen für die Anwendung der Erfindung
veranschaulichen die Figuren der Zeichnung.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine Anordnung gezeigt
mit einer Grundplatte 1. Auf dieser ist ein Halbleitersyster 2 aus einer antimonhaitigen
Elektrode 2a, einem Germaniumkörper 2b mit der p-n-Sperrschicht 2c und der Indiumelektrode
2d'angeordnet. Diese. Anordnung ist eingeschlossen mittels einer Kappe 3, die zusammen
mit der Grundplatte 1 einen Behälter für die Aufnahme des flüssigen Kühlmittels
4 bildet. In der Kappe 3 ist eine Zwischenwand 5 aus wärmeisolierendem Stoff vorgesehen.
Diese besitzt an ihrem oberen und ihrem unteren Ende Durchgangsöffnungen, so daß
die Flüssigkeit in dem zwischen dem Boden der Kappe und der Zwischenwand gebildeten
Raum umlaufen kann. In der Seitenwand der Kappe 3 ist ferner eine dichte Durchführung
6 aus Isoliermaterial, vorzugsweise aus Glas für den Ableitungsdraht 7 von
der
Elektrode 2d vorgesehen. Den anderen Anschluß bildet unmittelbar die metallische
Grundplatte 1, die ihrerseits flüssigkeits-oder luftgekühlt sein kann. Auf der Randzone
der p-n-Sperrschicht 2c kann ein Überzug 2 aus einer dünnen Quarzschicht vorgesehen
sein, deren Oberfläche porös ist. wie die Figur zeigt, ist das Gleichrichterelement
derart eingebaut, daß seine p-n-Sperrschicht senkrecht steht. Es könnte natürlich
auch eine geneigte Lage benutzt werden. Auf jeden Fall wird dadurch bei kleiner
Bauweise eine gute Thermosyphonwirkung in dem Kühlmittelsystem erreicht.
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Bilden sich örtlich. erhitzte Stellen in der Randzone der p-n-Sperrschicht
2c aus, so steigt das an diesen Stellen erwärmte Kühlmittel nach oben und sinkt
an der Bodenfläche des Kappendeckels 3 entlang infolge seiner Abkühlung wieder nach
unten.
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Die Zwischenwand 5 unterstützt diesen Strom, indem sie einen unmittelbaren
Ausgleich durch Wärmeübergang oder durch Vermischung des warmen und des abgekühlten
Flüssigkeitsstromes unterbindet.
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Wie die Figur ferner erkennen läßt, wird vorzugsweise das Gleichrichterelement
in dem Gehäuse unterhalb dessen Mitte angeordnet, wodurch eine Kaminwirkung für
den aufsteigenden warmen Strom entsteht.
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Erreicht die Temperatur an den örtlich erhitzten Stellen der p-n-Sperrschicht
die Siedetemperatur des Kühlmittels, so entstehen Dampfblasen. Diese erhöhen die
Kühlmittelumlaufsgeschwindigkeit. Der Überzug aus Quarz an der Randschichtzone verhindert
das Auftreten des Siedeverzuges, denn seine poröse Oberfläche ist derart groß, daß
das Entstehen von Dampfblasen begünstigt wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulichen die Figuren 2 und
3, wobei Figur 2 ein Schnitt der Figur 1 nach der Linie II-II und Figur 3 ein Schnitt
der Figur 2 nach der Linie 111-111
Bei dieser Anordnung ist die Randschichtzone der Sperrschicht bevorzugt gegenüber
den übrigen Teilen der Halbleiteranordnung
gekühlt. In diesen Figuren
bezeichnet 21 wieder eine Grundplatte.
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Auf dieser ist die Gleichrichteranordnung 22 angeordnet. Sie besteht
wieder aus den Elektroden 22a, weiterhin z. B. einem Germanium-Kristallkörper 22b
mit einer p-n-Sperrschicht 22c, einer Elektrode 22d und der Abnahmeelektrode 23.
Über die Anordnung ist eine Kappe 24 aus Isoliermaterial aufgebracht, welche mit
dem Rand des Körpers 22b eine flüssigkeits-und gasdichte Verbindung eingeht.'. Der
Innenraum dieser Kappe ist mit einer Kühlflüssigkeit 25 gefullt. Oberhalb des Spiegels
der Flüssigkeit verbleibt ein gac-bzw. dampfgefüllter Raum 26. Die Kappe 24 ist
vorzugsweise derart aufgebaut, daß an ihr in dem Raum zufolge des Wärmeauftriebes
aufsteigende Flüssigkeit in seitlichen Armen 27 und 28 der Kappe wieder zum unteren
Teil der Flüssigkeitsfüllung zurückfließen kann und dabei in diesen Armen eine Kühlung
erfolgt.
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Die Figur 4 zeigt einen Schnitt der Figur 2 nach der Linie IV-IV.
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4Figuren sol 6 Patentansprüche