DE946075C

DE946075C - Sperrschicht-Trockengleichrichter

Info

Publication number: DE946075C
Application number: DES12974D
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Max Steenbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1945-03-29
Filing date: 1945-03-30
Publication date: 1956-07-26

Description

Sperrschicht-Trockengleichrichter Die bekannten Trockengleichrichter, zu denen in erster Linie der Kupferoxydultrockengleichrichter und der Selentrockengleichrichter gehören, bestehen im wesentlichen aus zwei metallisch leitenden flächen- bzw. scheibenförmigen Elektroden, zwischen denen sich eine aus einem Halbleiter bestehende Schicht befindet. Die zur Gleichrichtung benutzte Unsymmetrie des elektrischen Widerstandes dieser Anordnung hat ihre Ursache in einer Sperrschicht, die sich zwischen einer der metallisch leitenden Elektroden und der Halbleiterschicht ausbildet. Beim Kupferoxydultrockengleichrichter befindet sich diese Sperrschicht zwischen dem Mutterkupfer und der durch einen Glühvorgang darauf aufgewachsenen Küpferoxydulschicht, während beim Selengleichrichter die Sperrschicht zwischen der Selenhalbleiterschicht und der auf diese meist durch Spritzen aufgebrachten Gegenelektrode oder Deckelektrode liegt. Die Durchlaßrichtung verläuft bei diesen beiden Trockengleichrichtern von der Sperrschicht zum angrenzenden Metall; beim Kupferoxydulgleichrichter demnach von der Halbleiterschicht zum Mutterkupfer, beim Selengleichrichter von der Selenschicht zur Deckelektrode.
Nach dem heute gültigen Stande der Erkenntnis beruhen der Mechanismus der Stromleitung im Halbleiter und die Gleichrichterwirkung von eine Halbleiterschicht enthaltenden Sperrschicht-Trockengleichrichtern in erster Linie auf in der Halbleiter- Schicht enthaltenen sogenannten Störstellen, d. h. geringfügigen Abweichungen von dem nach der chemischen Formel zu erwartenden (stöchiometrischen) Mengenverhältnis der zum Aufbau des Kristallgitters eines Halbleiters gehörigen Atome.
Beim Kupferoxydultrockengleichrichter bestehen die Störstellen aus überschüssigen Sauerstoffatomen bzw. Kupferlücken, während es sich bei den Störstellen der Halbleiterschicht der bekannten Selengleichrichter um Ionen der Halogene, beispielsweise Chlor, Jod oder Brom, handelt. Durch die Anwesenheit dieser Störstellen werden in dem Halbleiter Elektronen frei, die unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, also einer an die beiden metallischen Elektroden eines Trockengleichrichters angelegten Spannung, durch die Halbleiterschicht bewegt werden können. Diese Elektronen spielen eine ähnliche Rolle wie die negativen Leitungselektronen in einem metallischen Leiter, nur mit dem Unterschied, daß das Vorzeichen der »Elektronenwolke« in Halbleitern sowohl negativ als auch positiv sein kann. Bei den technisch wichtigsten Trockengleichrichtern, dem Kupferoxydul-und Selengleichrichter, liegen beispielsweise positive Leitungselektronen vor, während abweichend davon der Leitungsmechanismus anderer Halbleiter von negativen Elektronen getragen wird. Im ersteren Fäll spricht man auch von Defektelektronen oder Mangelelektronen, um das zu dem positiven Vorzeichen der Leitungselektronen führende Fehlen der negativen Elektronen im Aufbau des Halbleiters zu kennzeichnen, während die negativen Leitungselektronen auch als Überschußelektronen bezeichnet werden, weil es sich hier ebenso wie bei der metallischen Leitung um für den Stromtransport zur Verfügung stehende überschüssige, an die zugehörigen Atome nicht gebundene negative Elektronen handelt.
In Verbindung mit den durch Störstellen zur Verfügung gestellten überschuß- oder Mangelelektronen ist die Ursache für die Gleichrichterwirkung die an der Grenze Halbleiter-Metall wegen des Unterschiedes der Austrittsarbeiten auftretende Kontaktspannung, welche in der an das Metall angrenzenden Randschicht des Halbleiters eine mehr oder weniger starke Verarmung an Leitungselektronen zur Folge hat. Die Dicke dieser Schicht, die wegen der Verarmung an Leitungselektronen einen hohen elektrischen Widerstand besitzt, kann durch ein elektrisches Feld beeinflußt werden. Je nach der Richtung dieses Feldes wird die verarmte Zone dicker oder dünner. Im letzteren Fall wird die Sperrzone »zugeweht«, der Widerstand der Sperrschicht wird wesentlich kleiner, der Gleichrichter hat bei dieser Richtung des elektrischen Feldes seine Durchlaßrichtung. Wie bereits erwähnt, ist die Durchlaßrichtung beim Kupferoxydulgleichrichter und beim Selengleichrichter von der Sperrschicht zum angrenzenden Metall gerichtet.
Es sei noch erwähnt, daß die Sperrwirkung der Sperrschicht-Trockengleichrichter nicht allein durch die von der Kontaktspannung herrührende Elektronenverarmung in der Randschicht des Halbleiters bedingt ist, es werden vielmehr zur Unterstützung der Sperrschichtbildung während der Herstellung der Trockengleichrichterscheiben meist noch zusätzliche Maßnahmen ergriffen, um in der Randschicht des Halbleiters eine Störstellenverarmung herbeizuführen, wodurch unabhängig von der Kontaktspannung in der Randschicht von vornherein eine Verarmung an Leitungselektronen bedingt ist. Bei Selengleichrichtern mit chlorhaltiger Selenschicht geschieht dies beispielsweise durch Schwefelung der Selenoberfläche bei nachträglicher elektrischer Formierung der Gleichrichterscheiben, d. h. gleichzeitiger Erwärmung und elektrischer Beanspruchung der Gleichrichterscheiben in Sperrichtung. Die Sperrschichtbildung hat in erster Linie den Zweck, die von einer Trockengleichrichterscheibe zu bewältigende Sperrspannung zu erhöhen.
Alle bisher bekanntgewordenen Sperrschicht-Trockengleichrichter haben nur eine Sperrschicht, die auf einer der beiden einer metallischen Elektrode zugekehrten Seiten der Halbleiterschicht liegt. Grundsätzlich besteht auch für die andere Seite der Halbleiterschicht die Möglichkeit des Auftretens einer Sperrschicht mit entsprechender Gleichrichterwirkung. Die Durchlaßrichtung dieser zweiten Sperrschicht ist aber derjenigen der anderen Sperrschicht entgegengesetzt, weil sie durch das Vorzeichen der die Stromleitung im Halbleiter ermöglichenden Überschuß- oder Mangelelektronen bedingt ist. Man ist aus diesem Grunde bestrebt, die Sperrschichtbildung auf der Gegenseite der Halbleiterschicht entweder ganz zu unterbinden oder doch zumindest weitgehend zu vermeiden. Ein bekanntes Mittel dazu ist für den Kupferoxydultrockengleichrichter beispielsweise das thermische Aufdampfen einer Gegenelektrode aus Silber.
Gegenstand der Erfindung ist ein Trockengleichrichter, der sich von den bekannten Trockengleichrichtern dadurch grundsätzlich unterscheidet, daß bei ihm bewußt auf beiden Seiten der Halbleiterschicht eine Sperrschicht gebildet wird, jedoch mit der Maßgabe, daß die Durchlaßrichtungen der beiden Sperrschichten mit Bezug auf die Grenze Halbleiter - Metall entgegengesetzt gerichtet, mit Bezug auf die ganze Trockengleichrichterscheibe bzw. das aus den beiden Metallelektroden und der Halbleiterschicht bestehende Gesamtsystem gleichgerichtet sind. Die Erfindung besteht somit in einem Trockengleichrichter, dessen Halbleiterschicht zwei wirksame Sperrschichten bzw. an jeder der beiden metallischen Elektroden je eine wirksame Sperrschicht aufweist. Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Störstellen der Halbleiterschicht für die Stromleitung im Halbleiter und für die Richtung der Gleichrichterwirkung verantwortlich sind, wird dieses Ziel gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Halbleiterschicht verwendet wird, die auf der einen Seite andersgeartete Störstellen hat als auf der anderen Seite. Wenn beispielsweise auf der einen Seite der Halbleiterschicht solche Störstellen vorliegen, daß Überschußelektronenleitung entsteht, wird auf der anderen Seite des Halbleiters dafür gesorgt, daß Defekt- oder Mangelelektronenleitung vorliegt. Der Trockengleichrichter nach der Erfindung arbeitet mit einer Halbleiterschicht, die zwar durchgehend die gleiche chemische Zusammensetzung hat, deren als Störstellen bezeichnete geringfügige Abweichung von dieser Zusammensetzung in Richtung quer durch die Halbleiterschicht sich derart ändert, daß das Vorzeichen der Leitungselektronenwolke auf der einen Seite der Halbleiterschicht demjenigen auf der anderen Seite der Schicht entgegengesetzt ist.
Für das Beispiel Zinkoxyd bedeutet dies, daß auf der einen Seite Überschuß an Zinkatomen und demzufolge Überschußelektronenleitung, auf der anderen Schichtseite dagegen Überschuß an Sauerstoffatomen und demzufolge Mangelelektronenleitung bzw. Defektelektronenleitung auftritt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß eine Zinkplatte geglüht wird, wobei sich auf der einen Seite eine oxydierende und auf der anderen Seite eine reduzierende Atmosphäre befindet. Das gleiche Ziel wird erreicht, wenn eine Zinkoxydplatte auf eine Unterlage aus Kohle gelegt und in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht wird. In beiden Fällen erhält man eine Halbleiterschicht, die auf der einen Seite Störstellen in Form von Zinkatomen, auf der anderen Seite dagegen Störstellen in Form von Sauerstoffatomen aufweist. Ähnliches läßt sich auch bei anderen Metalloxyden erreichen. Für das Beispiel eines Selentrockengleichrichters kann eine doppelte Sperrschicht dadurch erzielt werden, daß auf der einen Seite der Selenschicht Halogenatome bzw. Halogenionen als Störstellen, auf der anderen Seite dagegen Alkaliatome als Störstellen wirksam sind. Die Halogenstörstellen liefern, für die eine Seite der Schicht die Defektelektronenleitung der, bekannten Selentrockengleichrichter, während durch die Alkalistörstellen Überschußelektronen für die Stromleitung zur Verfügung gestellt werden.
Zweckmäßig wird bei dem Trockengleichrichter nach der Erfindung dafür gesorgt, daß möglichst über den ganzen Querschnitt des Halbleiters Störstellen einer der beiden Arten vorhanden sind, daß also kein Querschnittsteil mit genauer stöchiometrischer Zusammensetzung des Halbleiters vorliegt. Es wird dadurch vermieden, daß der Halbleiter in einem Querschnittsteil als Isolator mit hohem elektrischen Widerstand wirksam wird. Ein gutes Mittel, um dieser Gefahr zu begegnen, besteht darin, daß das Behandlungsverfahren zur Bildung der Halbleiterschicht zunächst so geführt wird, daß über den ganzen Querschnitt eine Störstellenart sichergestellt wird, bei Zinkoxyd also beispielsweise Überschuß an Zinkatomen mit entsprechender Überschußelektronenleitung. Anschließend erfolgt dann eine weitere Behandlung, die auf der einen Seite für andersgeartete Störstellen sorgt, was beispielsweise beim Zinkoxyd durch Glühen in Gegenwart von Chlor erreicht werden kann.
Ein Sperrschicht-Trockengleichrichter, bei dem sich auf beiden Seiten der Halbleiterschicht je eine wirksame Sperrschicht bei mit Bezug auf das Gesamtsystem gleicher Durchlaßrichtung befindet, läßt sich erfindungsgemäß auch dadurch herstellen, daß die Halbleiterschicht, welche zwischen den beiden Metallelektroden liegt, nicht durchgehend aus dem gleichen Stoff besteht. Man kann die Halbleiterschicht aus mehreren Schichten, beispielsweise zwei Schichten, verschiedenartiger Halbleiter aufbauen, von denen der eine Halbleiter Störstellen mit Übersehußelektronenleitung, der andere Halbleiter dagegen Störstellen mit Mangelelektronenleitung aufweist. Auch in diesem Fall wird zweckmäßig an der Übergangsstelle zwischen den beiden Halbleiterteilschichten dafür gesorgt, daß eine ausreichende Leitfähigkeit bzw. die dazu erforderlichen Leitungselektronen aufrechterhalten bleiben. Gegebenenfalls kann man die beiden Teilschichten aufeinander sintern und dadurch einen brauchbaren Übergang zwischen den beiden Stoffen hinsichtlich der Leitfähigkeit erreichen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Halbleiterschicht zum Zweck des Übergangs von einem Halbleiter mit guter Mangelelektronenleitung auf einen Halbleiter mit guter Überschußelektronenleitung aus mehr als zwei Teilschichten aufzubauen. Es geht dann die eine Störstellenart allmählich in die andere über.
Von wesentlicher Bedeutung ist bei dem Trockengleichrichter nach der Erfindung die Wahl des Stoffes für die Gegenelektrode auf den beiden Seiten der Halbleiterschicht. Es wurde bereits erwähnt, daß die für die Gleichrichterwirkung notwendige Verarmung an Leitungselektronen in der Sperrschicht an eine Kontaktspannung zwischen Metallelektrode und Halbleiter gebunden ist und daß diese Kontaktspannung nur bei einer Differenz zwischen den Austrittsarbeiten der sich berührenden Stoffe entstehen kann. Dementsprechend ist ein Elektrodenmetall mit niedrigerer Austrittsarbeit als beim Halbleiter, beispielsweise Kadmium, zu wählen, wenn an der betreffenden Seite der Halbleiterschicht Störstellen mit Mangelelektronenleitung vorhanden sind, während die Austrittsarbeit des Elektrodenmetalls höher sein muß als diejenige des Halbleiters, wenn Störstellen mit Überschraßelektronenleitung vorliegen. Bei dem obenerwähnten Selengleichrichter mit doppelter Sperrschicht wäre beispielsweise auf der einen Seite (Mangelelektronen bzw. positive Leitungselektronen) eine Zinn-Kadmium-Elektrode, auf der anderen Seite dagegen (Überschu@ßelektronen bzw. negative Leitungselektronen) eine Graphitelektrode zu wählen. Wesentlich ist in jedem Fall, daß für die eine Metallelektrode ein Stoff verwendet wird, dessen Austrittsarbeit nennenswert größer oder kleiner ist als die Austrittsarbeit des Stoffes der anderen Elektrode.
Bei dem Trockengleichrichter nach der Erfindung werden zweckmäßig an sich bekannte Verfahrensmaßnahmen angewendet werden, um die Sperrschichtbildung, im vorliegenden Fall für die nach der Erfindung vorgesehenen beiden wirksamen Sperrschichten, in ähnlicher Weise zu fördern, wie dies beispielsweise beim Selengleichrichter durch Schwefelung mit nachfolgender elektrischer Formierung erreicht wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Sperrschicht-Trockengleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf beiden Seiten der Halbleiterschicht je eine wirksame Sperrschicht bei mit Bezug auf das Gesamtsystem gleicher Durchlaßrichtung befindet.
2. Trockengleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sich der atomare Aufbau der Halbleiterschicht senkrecht zur Schichtebene derart ändert, daß auf der einen Schichtseite Störstellen mit Überschußelektronenleitung (negative Leitungselektronen), auf der anderen Schichtseite dagegen Störstellen mit Mangelelektronenleitung (positive Leitungselektronen) befinden.
3. Trockengleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in allen Teilen des Querschnitts des Halbleiters mindestens die eine Störstellenart vorhanden ist.
4. Trockengleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus mehreren Teilschichten mit verschiedenartigen Störstellen besteht.
5. Trockengleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß für die an die Halbleiterschicht angrenzenden Metallelektroden Stoffe gewählt sind, deren Austrittsarbeiten nennenswert voneinander verschieden sind.
6. Trockengleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff für die an die Halbleiterschicht angrenzenden Metallelektroden derart gewählt ist, daß bei Störstellen mit Mangelelektronenleitung die Austrittsarbeit der Metallelektrode niedriger ist als die Austrittsarbeit des Halbleiters und daß umgekehrt bei Störstellen mit Überschußelektronenleitung die Austrittsarbeit der Metallelektrode größer ist als die Austrittsarbeit des Halbleiters.
7. Trockengleichrichter nach Anspruch I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschicht ein Metalloxyd verwendet ist, bei dem auf der einen Schichtseite Sauerstoffüberschuß, auf der anderen Schichtseite Metallüberschuß vorhanden ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Trockengleichrichters nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zinkplatte in der Weise geglüht wird, daß sich auf ihrer einen Seite eine oxydierende, auf der anderen Seite dagegen eine reduzierende Atmosphäre befindet.
9. Verfahren zur Herstellung eines Trockengleichrichters nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zinkoxydplatte auf einer Unterlage aus Kohle in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht wird. Io.
Verfahren zur Herstellung eines Trockengleichrichters nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte aus Zinkoxyd mit durchgehend vorhandenem Überschuß an Zinkatomen in der Weise geglüht wird, daß sich auf ihrer einen Seite eine Chloratmosphäre befindet.
II. Trockengleichrichter nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Selenhalbleiterschicht, bei der auf der einen Seite Halogenstörstellen, auf der. anderen Seite dagegen Alkalistörstellen vorhanden sind.
12. Trockengleichrichter nach Anspruch z, 6 und i i, gekennzeichnet durch eine Selenhalbleiterschicht,- deren eine Metallelektrode aus einer Zinn=Kadmiium-Legierung und deren andere' Elektrode aus Graphit besteht. In- Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 667 750; -schweizerische Patentschrift Nr. 203 236.