DE968911C - Elektrisch steuerbarer Trockengleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Elektrisch steuerbarer Trockengleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE968911C DEP45745A DEP0045745A DE968911C DE 968911 C DE968911 C DE 968911C DE P45745 A DEP45745 A DE P45745A DE P0045745 A DEP0045745 A DE P0045745A DE 968911 C DE968911 C DE 968911C
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Description

(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 10. APRIL 1958
P 45745 VIII 'c /21g D
ist als Erfinder genannt worden
Man hat versucht, elektrisch steuerbare Trockengleichrichter dadurch herzustellen, daß man in analoger Weise wie bei Hochvakuum-Elektronenröhren zwischen zwei Elektroden ein Steuergitter anbringt. Diese Versuche haben zu keinem praktischen Ergebnis geführt, obgleich eine gewisse Steuerwirkung beobachtet wurde. Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß eine praktisch verwertbare Steuerung erreicht werden kann, wenn die Steuerelektrode derart im Stromweg angebracht wird, daß die sich vor ihr bei Anlegen eines geeigneten Potentials ausbildende Raumladungsschicht den Stromdurchgang behindert. Bei elektrisch steuerbaren Trockengleichrichtern mit einer halbleitenden Substanz mit Überschußleitungscharakter tritt diese Steuerwirkung ein, wenn man die Steuerelektrode in bezug auf ihre Umgebung auf ein negatives Potential bringt. Bei einem elektrisch steuerbaren Trockengleichrichter mit einer halbleitenden Substanz mit Mangelleitungscharakter wird die gleiche Wirkung durch ein positives Steuerpotential erreicht.
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch steuerbaren Trockengleichrichter mit einer halbleitenden Substanz mit Überschuß- bzw. Mangelleitungscharakter, bei dem die Steuerelektrode derart im Stromweg angeordnet ist, daß die beim Anlegen eines geeigneten Potentials vor ihr auftretende Raumladungsschicht den Stromdurchgang behindert und die Steuerelektrode wenigstens in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Mangel- bzw. Überschußhalbleiter besteht, je nach-
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dem, ob die halbleitende Substanz ein Überschußhalbleiter oder ein Mangelleiter ist. Erfindungsgemäß unterscheidet sich dieser Trockengleichrichter von den bisher bekannten dadurch, daß der an die halbleitende Substanz angrenzende Teil der Steuerelektrode von einem Teil der halbleitenden Substanz gebildet ist, der örtlich derart umgewandelt ist, daß er sich von dem ihn umgebenden Teil der halbleitenden Substanz durch seinen Leitungscharakter unterscheidet.
Bei dem Trockengleichrichter gemäß der Erfindung, bei dem die Raumladungsschicht zur Steuerung benutzt wird, besteht die Steuerelektrode wenigstens in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Mangelleiter, wenn die halbleitende Substanz Überschuß leitungscharakter aufweist. Umgekehrt wird bei einem Trockengleichrichter mit einer halbleitenden Substanz mit Mangelleitungscharakter die Steuerelektrode in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Überschußleiter bestehen. Im folgenden wird deshalb der Kürze halber die Erfindung nur an Trockengleichrichtern mit einer halbleitenden Substanz mit Überschußleitungscharakter eras läutert. Die Steuerwirkung wird nämlich unter Anwendung der Lehre der Erfindung in einer halbleitenden Substanz mit Mangelleitungscharakter stets in analoger Weise erreicht, wenn man an die Stellen, an denen bei den beschriebenen Gleichrichtern mit einer halbleitenden Substanz mit Überschußleitungscharakter aus einem Material mit Mangelleitungscharakter bestehende Teile erwähnt werden, solche mit Überschußleitungscharakter setzt. Dadurch, daß die Steuerelektrode in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Material besteht, das den umgekehrten Leitungscharakter wie die halbleitende Substanz aufweist, erreicht man, daß an die Steuerelektrode eine sehr viel höhere Spannung gelegt werden kann als bei Anordnungen mit Steuerelektroden, die gemischtelektronischen oder metallischen Leitungscharakter besitzen.
Besonders vorteilhaft ist es, die halbleitende Substanz auf einer nichtleitenden Unterlage in einer Schichtdicke aufzubringen, vorzugsweise aufzudampfen, die von der Dicke der vor der Steuerelektrode bei der Steuerung äußerstenfalls auftretenden Raumladungsschicht erreicht wird. Bei dieser Wahl der Dicke der halbleitenden Substanz wird eine bestimmte Steuerwirkung bei kleinstem Widerstand erreicht.
Damit der Widerstand möglichst klein und die Abmessungen der Steuerelektrode bzw. ihrer Abstände von den übrigen Elektroden nicht zu klein werden, ist es zweckmäßig, eine halbleitende Substanz zu verwenden, deren Ladungsträgerbeweglichkeit größer als
io3cm/sec
V/cm
und deren Störstellenkonzentration so klein ist, daß die Dicke der vor der Steuerelektrode bei der Steuerung äußerstenfalls auftretenden Raumladungsschicht die Dicke der halbleitenden Substanz erreichen kann. So große Schichtdicken erreicht man leicht, wenn man eine halbleitende Substanz verwendet, deren Störstellenkonzentration kleiner als S · ι o15/ cm8 ist.
Die Zeichnung zeigt in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele von Trockengleichrichtern gemäß der Erfindung. Auf einer nichtleitenden Unterlage 1, beispielsweise aus Glas oder Quarz, sind die metallischen Elektroden 2, 3 und über diesen die halbleitende Substanz 4 angebracht. Die metallische Zuleitung 5 zur Steuerelektrode kann auf der gleichen Seite der halbleitenden Substanz angebracht werden wie die Elektroden 2 und 3, wie Fig. 1 zeigt. Sie kann jedoch auch, wie in Fig. 2 angedeutet, auf der entgegengesetzten Seite vorgesehen werden. Die eigentliche Steuerelektrode wird aus einer Schicht 6 gebildet, die an die halbleitende Substanz 4 angrenzt und entgegengesetzten Leitungscharakter wie diese aufweist. Unter Umständen treten an den Elektroden 2 und 3 zusätzliche Verluste auf, die bei der Dimensionierung dieser Elektroden berücksichtigt werden müssen. Bedingt beispielsweise wegen einer auftretenden Gleichrichterwirkung der Übergang an der Elektrode 2 Verluste, die größer sind als die an der Elektrode 3 auftretenden, so wird es sich empfehlen, diese Elektrode größer als die Elektrode 3 auszuführen oder beiden die Abmessungen zu geben, die für den Stromübergang an der Elektrode 2 erforderlich sind. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 4 ist aus diesem Grunde die Elektrode 2 größer als die Elektrode 3 gewählt. Besonders zweckmäßig ist es, die Elektroden als einander konzentrisch umgebende Kreisflächen bzw. Kreisringe auszubilden, wie Fig. 4 zeigt.
Falls der Stromdurchgang in Abhängigkeit von mehreren veränderlichen Potentialen gesteuert werden soll, ist bei dem steuerbaren Trockengleichrichter gemäß der Erfindung zwischen den Elektroden 2 und 3 eine entsprechende Anzahl von Steuerelektroden 5, 6 vorgesehen, wie in Fig. 5 angedeutet ist.
Da die Herstellung der Elektroden bzw. der an sie angrenzenden Übergangsschichten der halbleitenden Substanz, die bestimmte Eigenschaften aufweisen sollen, unter Umständen einen schwierigen Arbeitsgang bedingt, ist es vorteilhaft, bei Trocken- no gleichrichtern, die mehrere getrennt steuerbare Strom wege nebeneinander aufweisen sollen, die Anordnung, wie in Fig. 6 dargestellt ist, so zu treffen, daß die Stromwege einzelne Elektroden gemeinsam haben. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Elektrode 2 sowohl für den durch die Steuerelektrode 5, beeinflußten Strömweg zur Elektrode 3 als auch für den durch die Steuerelektrode 5', 6' zur Elektrode 3' führenden Stromweg ausgenutzt.
Damit die Steuerwirkung mit möglichst geringen Spannungen erzielt werden kann, ohne daß der Widerstand für den Stromdurchgang des Trockengleichrichters gemäß der Erfindung zu groß wird, ist es zweckmäßig, wie in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellt ist, der halbleitenden Substanz in ihrem bei der Steuerung von der Raumladungs-
schicht vor der Steuerelektrode erfaßten Teil 7 einen kleineren Querschnitt als im übrigen Stromweg zu geben.
Das gleiche Ziel läßt sich dadurch erreichen, daß mindestens die Steuerelektrode in mehrere parallel geschaltete, durch dünne Schichten der halbleitenden Substanz voneinander getrennte Teile aufgeteilt wird. Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung mit schichtförmig ausgebildeter Steuerelektrode 5, 6.
Mehrere dünne Schichten aus halbleitender Substanz mit den zugehörigen Elektroden können, vorzugsweise durch abwechselndes Aufdampfen von halbleitender Substanz und von Elektrodenmaterial, auf einer nichtleitenden Unterlage unmittelbar übereinander aufgebracht werden, wie in Fig. 10 angedeutet ist, in der die gestrichelten Linien 8 die Grenzen der einzelnen nacheinander aufgebrachten Halbleiterschichten bezeichnen.
Die Herstellung von elektrisch steuerbaren Trokkengleichrichtern gemäß der Erfindung kann dadurch erfolgen, daß auf einer nichtleitenden Unterlage die halbleitende Substanz aufgebracht wird. Dabei ist die Unterlage auf erhöhte Temperatur zu bringen, falls dadurch eine günstigere Modifikation der aufgebrachten Substanz erzielt wird. Auf die nichtleitende Unterlage können die Elektroden vor dem Aufdampfen der halbleitenden Substanz durch Aufdampfen, Aufspritzen oder Aufdrucken aufgebracht werden.
Diese Elektroden werden mit Vorteil bereits vor dem Aufbringen der halbleitenden Substanz mit Zuleitungen versehen, damit nicht beim Anbringen der Zuleitungen die halbleitende Substanz beschädigt bzw. ungünstig verändert wird.
Zur Herstellung einer Steuerelektrode, die wenigstens in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Mangelleiter besteht, kann man die halbleitende Substanz in diesem Teil durch nachträgliche Umwandlung in der gewünschten Weise verändern. Man kann beispielsweise die halbleitende Substanz, vorzugsweise bei wesentlich erhöhter Temperatur, zur Erzielung einer solchen inhomogenen Umwandlung örtlich an eine hohe ♦5 Spannung legen und/oder mit Substanzen in Berührung bringen, so daß sie sich in der Umgebung dieser besonders behandelten Stellen hinsichtlich ihres Leitungscharakters von der übrigen unbehandelten halbleitenden Substanz unterscheidet.
Elektrisch steuerbare Trockengleichrichter, bei denen die halbleitende Schicht in der Nähe der Steuerelektrode eine geringere Dicke ausweisen soll, können nach dem Aufdampfverfahren dadurch hergestellt werden, daß hier durch dauernde oder zeitweise Behinderung des Niederschiagens oder durch entsprechend gerichtete Dampfführung eine Schicht geringerer Dicke als im übrigen aufgebracht wird. Unter Umständen ist es jedoch einfacher, die halbleitende Substanz zunächst in gleicher Schichtdicke aufzubringen und sie nachträglich in der Nähe der Steuerelektrode zur örtlichen Verringerung der Schichtdicke, beispielsweise durch mechanische Mittel, teilweise zu entfernen.
Als Beispiel für eine halbleitende Substanz mit Uberschußleitungscharakter, die sich für die Herstellung von Trockengleichrichtern gemäß der Erfindung besonders eignet, sei Germanium mit Störstellen erzeugenden Zusätzen, in erster Linie mit einem Zusatz von Stickstoff, sowie ferner Zusätzen von Phosphor, Arsen und Antimon genannt. Als Halbleiter mit Mangelleitungscharakter bewährt sich Selen mit Halogenzusätzen oder Silizium mit Zusätzen von Bor oder Sauerstoff.
Es empfiehlt sich, die halbleitende Schicht aus einer Substanz herzustellen, deren Leitfähigkeit größer ist als die der Steuerelektrode. Hierzu eignet sich beispielsweise Germanium mit Stickstoff als halbleitende Substanz mit Überschußleitungscharakter und Selen mit Iialogenzusätzen als Steuerelektrode mit Mangelleitungscharakter.

Claims (24)

PATENTANSPKOCHE:
1. Elektrisch steuerbarer Trockengleichrichter mit einer halbleitenden Substanz mit Überschuß- bzw. Mangelleitungscharakter, bei dem die Steuerelektrode derart im Stromweg angeordnet ist, daß die beim Anlegen eines geeigneten Potentials vor ihr auftretende Raum- go ladungsschicht den Stromdurchgang behindert und die Steuerelektrode wenigstens in ihrem an die halbleitende Substanz angrenzenden Teil aus einem Mangel- bzw. Überschußhalbleiter besteht, je nachdem, ob die halbleitende Substanz ein Überschußhalbleiter oder ein Mangelleiter ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an die halbleitende Substanz angrenzende Teil der Steuerelektrode von einem Teil der halbleitenden Substanz gebildet ist, der örtlich derart umgewandelt ist, daß er sich von dem ihn umgebenden Teil der halbleitenden Substanz durch seinen Leitungscharakter unterscheidet.
2. Trockengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Substanz auf einer nichtleitenden Unterlage in einer Schichtdicke aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft ist, die von der Dicke der vor der Steuerelektrode bei der Steuerung äußerstenfalls auftretenden Raumladungsschicht erreicht werden kann.
3. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine halbleitende Substanz verwendet wird, deren Ladungsträgerbeweglichkeit größer als
io3cm/sec
V/cm
ist und deren Störstellenkonzentration so klein iao ist, daß die Dicke der vor die Steuerelektrode bei der Steuerung äußerstenfalls auftretenden Raumladungsschicht die Dicke der halbleitenden Substanz erreichen kann.
4. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Störstellenkonzentration der halbleitenden Substanz kleiner als 5 · io15/cm3 ist.
5. Trockengleichrichter nach Anspruch 2 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode auf der der halbleitenden Substanz zugekehrten Seite der nichtleitenden Unterlage angebracht ist.
6. Trockengleichrichter nach Anspruch 2 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer nichtleitenden Unterlage die Anode und die Kathode angebracht sind und daß darüber in dünner Schicht die halbleitende Substanz, Anode und Kathode sowie den zwischen ihnen liegenden Teil der Unterlage bedeckend und über der halbleitenden Substanz die Steuerelektrode bzw. die Steuerelektroden aufgebracht sind.
7. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, bei der die Gefährdung durch große Stromdichte am größten ist, einen wesentlich größeren, für den Stromeintritt maßgebenden Querschnitt aufweist als die übrigen Elektroden.
8. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden einander konzentrisch umgebende Kreisflächen bzw. Kreisringe vorgesehen sind.
9. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Kathode mehrere getrennt steuerbare Elektroden vorgesehen sind.
10. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in derselben halbleitenden Substanz nebeneinander untergebrachte steuerbare Stromwege einzelne Elektroden gemeinsam haben.
11. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Substanz in 'ihrem bei der Steuerung von der Raumladungsschicht vor der Steuerelektrode erfaßten Teil einen kleineren Querschnitt als im übrigen Stromweg aufweist.
12. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Steuerelektrode in mehrere parallel geschaltete, durch dünne Schichten der halbleitenden Substanz voneinander getrennte, vorzugsweise schichtförmig ausgebildete Teile aufgeteilt ist.
13. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dünne Schichten aus halbleitender Substanz mit den zugehörigen Elektroden, vorzugsweise durch abwechselndes Aufdampfen von halbleitender Substanz und von Elektrodenmaterial, auf einer nichtleitenden Unterlage unmittelbar übereinander angebracht sind.
14. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Arten halbleitender Substanz verschiedener Störstellenkonzentration verwendet werden, von denen die mit der geringeren Stör-Stellenkonzentration die Steuerelektrode umgibt.
15. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht aus einer Substanz besteht, deren Leitfähigkeit größer ist als die der Steuerelektrode.
16. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitende Substanz mit Überschußleitungscharakter Germanium mit Störstellen erzeugenden Zusätzen von Stickstoff und/oder Phosphor, Arsen und Antimon verwendet ist.
17. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitende Substanz mit Mangelleitungscharakter Selen mit Störstellen erzeugenden Halogenzusätzen verwendet ist.
18. Trockengleichrichter nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitende Substanz mit Mangelleitungscharakter Silizium mit Störstellen erzeugenden Zusätzen von Bor und/oder Sauerstoff verwendet ist.
19. Verfahren zum Herstellen von Trockengleichrichtern nach Anspruch 1 oder einem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Substanz vorzugsweise bei erhöhter Temperatur auf eine nichtleitende Unterlage aufgebracht wird.
20. Verfahren zum Herstellen von Trockengleichrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die nichtleitende Unterlage vor dem Aufdampfen der halbleitenden Substanz Elektroden aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft, aufgespritzt oder aufgedruckt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden vor dem Aufbringen der halbleitenden Substanz mit Zuleitungen versehen werden.
22. Verfahren zum Herstellen von Trockengleichrichtern nach Anspruch 1 bis 18 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Substanz, vorzugsweise bei wesentlich erhöhter Temperatur, zur inhomogenen Umwandlung örtlich an hohe Spannungen gelegt und/oder mit Substanzen in Berührung gebracht wird, so daß die halbleitende Substanz in der Umgebung dieser besonders behandelten Stellen hinsichtlich des Leitungscharakters der übrigen halbleitenden Substanz entgegengesetzt ist.
23. Verfahren zum Herstellen von Trockengleichrichtern nach Anspruch 11 mittels Aufdampfen, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht in Nähe der Steuerelektrode durch dauernde oder zeitweise Behinderung des Niederschiagens oder durch entsprechend gerichtete Dampfführung in geringerer Dicke als an den übrigen Stellen aufgebracht wird.
24. Verfahren zum Herstellen von Trockengleichrichtern nach Anspruch ii mittels Aufdampfen, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Substanz in der Nähe der Steuerelektrode zur örtlichen Verringerung ihrer Schichtdicke, vorzugsweise durch mechanische Mittel, teilweise entfernt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2402661.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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