DE970899C

DE970899C - Zweischichten-Trockengleichrichter

Info

Publication number: DE970899C
Application number: DE1948P0006800
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Franz Tuczek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1958-11-13

Description

Zweischichten-Trockengleichrichter Bei den bekannten Trockengleichrichtern ist die für technische Zwecke nötige Spannungsfestigkeit in Sperrichtung gebunden an das Vorhandensein einer chemischen Sperrschicht vor der Sperrelektrode, d. h. eines Randgebietes des Halbleiterkörpers, in dem die Störstellen in einer kleineren Dichte vorhanden sind als im übrigen Halbleiter. Als Folge der geringeren Störstellendichte der Sperrschicht tritt eine Erhöhung des Flußwiderstandes auf, verbunden mit einer Verlangsamung des Stromanstieges bei wachsender Flußspannung, also einem weniger scharfen Knick der Stromspannungskurve. Je besser die Verarmungsrandschicht ausgeprägt ist, eine um so höhere Sperrspannung verträgt der Gleichrichter zwar, um so höher aber werden auch die Verluste während der Flußbelastung, um so kleiner also die Flußbelastbarkeit. Auch der langsame Stromanstieg bei kleinen Flußspannungen an sich ist bei manchen Anwendungen, besonders auf dem Schwachstromgebiet, unerwünscht.
Diese Nachteile werden durch die Anwendung des Erfindergedankens erheblich herabgesetzt. Abweichend von den bekannten Trockengleichrichtern, bei denen der Ursprung der Sperrwirkung in der Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Metall der einen Elektrode in den Halbleiter oder aus diesem in eine der Elektroden liegt, wird gemäß der Erfindung die Sperrwirkung benutzt, die an der Grenzfläche zweier Halbleiter entsteht, von denen der eine der Klasse der Üb#r# schußhalbleiter, der andere der Klasse der Mangelhalbleiter angehört. Wird ein solches System, das beiderseits mit einer sperrfreien Elektrode versehen ist, so mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, daß der positive Pol an den Überschußhalbleiter, der negative an den Mangelhalbleiter gelegt wird, dann sucht die angelegte Spannung die Überschußelektronen des ersteren in Richtung auf seine Elektrode zu zu bewegen, die Defektelektronen (Elektronenleerstellen) des letzteren auf dessen Elektrode zu. Es kann daher nur ein sehr kleiner Strom zustande kommen. Wird die angelegte Spannung umgepolt, dann laufen Elektronen und Defektelektronen aufeinander zu und können sich zu neutralen Gitterstellen vereinigen, und es können weitere Elektronen und Defektelektronen nachfließen.
Die Fig. I zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Gleichrichters gemäß der Erfindung im Querschnitt. Es bedeutet I die Tragplatte, die zugleich die eine Elektrode bildet, 2 den einen, 3 den zweiten Halbleiterkörper, an deren Grenzfläche 4 die Sperrwirkung zustande kommt, 5 die zweite Zuleitungselektrode. Die folgenden Betrachtungen sollen zeigen, daß ein derartig aufgebauter Gleichrichter in den eingangs angegebenen Punkten den bekannten überlegen ist.
Betrachten wir zunächst die Sperrichtung, und zwar für den Fall, daß eine chemische Sperrschicht nicht vorhanden ist, so ist ohne weiteres einzusehen, daß, gleiche Störstellendichten -vorausgesetzt, bei der Kombination Metall-Halbleiter die mittlere kleinste Entfernung zwischen der Elektrode und den Störstellen des Halbleiters nur halb so groß ist wie an der Grenze eines Überschuß- und eines Mangelhalbleiters der mittlere -kleinste Abstand eines Störstellenpaares der beiden Teile. Dem entspricht bei gleicher Sperrspannung die halba Feldstärke des Mikrofeldes bei dem Zweihalbleitersystem und eine entsprechend höhere Spannungsfestigkeit. Dazu kommt der Umstand, daß bei dem Zweihalbleitersystem infolge der im Verhältnis zur Elektronendichte eines Metalls kleinen Dichte der Störstellen die kleinsten vorkommenden Abstände sehr viel seltener vorhanden sind als in dem System Halbleiter-Metall und daher die Wahrscheinlichkeit des Auftretens höchster Feldstärken und damit der Feldemission sowie des Tunneleffektes und der Bildkraftwirkung stark herabgesetzt ist.
Ferner ist bei geeigneter Wahl der Halbleiterstoffe die Paarbildungsarbeit im Inneren der beiden Halbleiter oder an ihrer Grenzfläche größer als die Übertrittsarbeit eines Elektrons oder Defektelektrons an der Grenze Metall-Halbleiter. Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß Gleichrichter nach der Erfindung einen sehr hohen Sperrwiderstand besitzen, der zu einer Verschärfung des Kennlinienknickes beiträgt, vor allem aber neben der geringeren Erwärmung eine wesentlich höhere Sperrspannungsbelastung zuläßt. Außerdem ist die Gefahr eines Spannungsdurchschlages gegenüber den bekannten Trockengleichrichtern beträchtlich herabgesetzt.
Beim Übergang in die Flußrichtung strömen die Überschuß- und Defektelektronen schon infolge der Diffusion in den zwischen den beiderseitigen Störstellen liegenden Raum, wo sie durch ihre Mischung die Entstehung einer den Strom behindernden Raumladung verhindern -und sich um so schneller zu neutralen Gitterstellen vereinigen, je größer ihre Dichten sind. Infolgedessen entsteht hier bei nicht zu kleinen Elektronendichten keine oder nur eine sehr geringe Vermehrung des Widerstandes gegenüber dem Inneren der Halbleiter.
Je nach den Anforderungen, die an den Gleichrichter gestellt werden, kann es zweckmäßig sein, zur weiteren Erhöhung der Spannungsfestigkeit einem der Halbleiterkörper oder auch beiden eine chemische Sperrschicht zu geben, wobei gegenüber den bekannten Gleichrichtern die Vorteile der erhöhten Spannungsfestigkeit und des kleineren Flußwiderstandes erhalten bleiben. Um den Flußwiderstand möglichst klein zu halten, ist es vorteilhaft, die spezifischen Widerstände gleich groß zu wählen.
Was die zu verwendenden Halbleiterstoffe angeht, so kann grundsätzlich jede Kombination eines Überschuß- und eines Mangelhalbleiters benutzt werden, als Überschußhalbleiter z. B. Zinkoxyd, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Titan-Magnesium-Spinell oder Selen mit Elektronen abgebenden Störstellen, als Mangelhalbleiter z. B. Kupferoxydul, Kupferoxyd, Kupfersulfur, Selen mit Elektronen anziehenden Störstellen. Für die Auswahl der Halbleiterstoffe spielen praktische Gesichtspunkte für die Herstellung eine ausschlaggebende Rolle.
Die Vereinigung der beiden Halbleiterkörper kann, wie etwa bei den in der drahtlosen Telephonie benutzten Kristalldetektoren, durch Aufeinanderpressen geschehen. Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Gleichrichters gemäß der Erfindung, in dem der eine Halbleiterkörper die Form einer Spitze hat. Die Bezifferung entspricht der der Fig.I . Die Elektrode I5, die die Spitze 13 trägt, wird durch eine nicht gezeichnete Feder gegen den Halbleiter 12 gedrückt. Im Interesse eines geringen Kontaktwiderstandes wird man aber im allgemeinen eines der folgenden Verfahren vorziehen: Aufsintern, Aufdampfen, Aufspritzen, Aufstäuben, Aufschmelzen. Wegen der Möglichkeit des bequemen Aufdampfens oder Aufschmelzens ist besonders die Kombination des Selens mit einem der anderen Halbleiter von Wichtigkeit.
Der Zweischichten-Trockengleichrichter bietet auch die Möglichkeit, die Eigenleitfähigkeit, die ein Halbleiter bei den Gebrauchstemperaturen haben kann, wie z. B. das Selen, unwirksam zu machen. Teilt man nämlich die Paarbildungsarbeit auf in die Summanden P+ und P-, von denen P+ die Arbeit zur Bildung eines Defektelektrons allein, d. h. also zum Herausschaffen eines Elektrons von einer neutralen Gitterstelle an einen Ort außerhalb des Halbleiters, und P-die Arbeit zur Bildung eines Überschußelektrons allein, d. h. also zum Hereinbefördern eines Elektrons von einem Ort außerhalb des Halbleiters in eine neutrale Gitterstelle, bedeuten sollen, und erteilt man dem Überschußhalbleiter den Index I , dem Defekthalbleiter, im vorliegenden Falle also dem Selen mit Halogenstörstellen, den Index 2, so macht man sich leicht klar, daß eine Eigenleitfähigkeit des Defekthalbleiters dann unwirksam wird, wenn P-1 groß im Verhältnis zu P-2 ist.
Wenn dagegen der Überschußhalbleiter eine Eigenleitfähigkeit besitzt, muß P+2 groß gegen P -@i sein. Als Folge der Eigenleitfähigkeit tritt bei den bekannten Selengleichrichtern bei hohen Sperrspannungen eine Widerstandssenkung auf, wenn der aufgespritzten Elektrode nicht ein Zusatz von Thallium beigefügt wird. Dieser Thalliumzusatz erhöht aber den Flußwiderstand, besonders im Laufe des Betriebes, er ist somit auch die Ursache einer zeitlichen Inkonstanz. Nach der Erfindung wird also ein weiterer Nachteil der bekannten Selengleichrichter ausgeschaltet.
Da bei einer Mischung von Elektronen abgebenden und Elektronen entziehenden Störstellen die Leitfähigkeit auf einen kleinen Bruchteil der Leitfähigkeit bei nur einer Störstellenart sinken kann, ist darauf Bedacht zu nehmen, daß eine solche durch Mischung in der Berührungszone sowohl bei der Herstellung wie im Betrieb streng vermieden wird. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn man für beide Halbleiterteile denselben Grundstoff, nur mit verschiedenen Störstellenarten, verwendet. Um besonders festeingebaute Störstellen im Selen zu erhalten, kann es zweckmäßig sein, statt der bisher verwendeten Halogene Chlor, Brom oder Jod das Fluor zu nehmen.
Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß es wichtig ist, daß an beiden Halbleiterkörpern die Elektroden sperrfrei sind, da Sperrschichten an den Elektroden der inneren Sperrschicht entgegen geschaltet sein würden. Bei Halbleitern, die man wie beim handelsüblichen Kupferoxydulgleichrichter zweckmäßig durch Oxydieren oder Anoxydieren einer Metallplatte erzeugt, kann eine etwa zwischen Platte und Halbleiter entstandene Sperrschicht durch Überziehen, etwa Überspritzen oder Überdampfen des Randes mit Metall überbrückt werden, z. B. wenn man die Metallplatte als Trägerplatte verwenden will.
Die vorgeschlagene Form eines Gleichrichters ist auf Grund ihres Aufbaues und ihrer Herstellungsart im besonderen Maße dazu geeignet, den bekannten Gedanken zu verwirklichen, in die Sperrschicht eines Trockengleichrichters eine Steuerelektrode einzubauen, etwa indem man auf den einen Halbleiterkörper ein Metallgitter aufdampft, bevor der zweite angefügt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Trockengleichrichter, dadurchgekennzeichnet, daß seine Halbleiterschicht zusammengesetzt ist aus zwei Teilen, deren einer aus einem Halbleiter vom Mangelleitungstyp, deren anderer aus einem Halbleiter vom Überschußleitungstyp besteht.
2. Trockengleichrichter nach Anspruch I , dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile aus verschiedenen Grundstoffen bestehen.
3. Trockengleichrichter nach Anspruch I , dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile aus demselben Grundstoff bestehen, aber verschiedenartige Störstellen enthalten.
4. Trockengleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile aus Selen bestehen.
5. Trockengleichrichter nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Selen vom Mangelleitungstyp die Störstellen durch Zusatz einer Fluorverbindung erzeugt werden.
6. Trockengleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß beide Halbleiterteile gleich große spezifische Widerstände haben.
7. Trockengleichrichter nach Anspruch I , dadadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Halbleiterteile oder beide an der Fläche, mit der sie aneinandergrenzen, eine chemische Sperrschicht besitzen. B.
Trockengleichrichter nach Anspruch I , dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrschicht, die zwischen einem der Halbleiterkörper und seiner Elektrode vorhanden ist, durch Überziehen des Randes mit einer Metallschicht überbrückt ist.
9. Trockengleichrichter nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Halbleiterkörpern eine Steuerelektrode angebracht ist. IO. Trockengleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Defekthalbleitern mit Eigenleitfähigkeit, z. B. Selen mit Elektronen abziehenden Störstellen, der Überschußhalbleiter aus solchem Material hergestellt ist, daß bei ihm die Arbeit zur Bildung eines Überschußelektrons allein wesentlich größer ist als die entsprechende Arbeit beim Defekthalbleiter. II . Trockengleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis IO, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Überschußhalbleiters mit Eigenleitfähigkeit, z. B. Selen mit Elektronen abgebenden Störstellen, der Defekthalbleiter aus solchem Material hergestellt ist, daß bei ihm die Arbeit, die notwendig ist, um in den Defekthalbleiter ein Defektelektron hineinzubringen, wesentlich größer ist als die entsprechende Arbeit beim Überschußhalbleiter. In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 158 7o9; schweizerische Patentschrift Nr. 213 8o8; belgische Patentschrift Nr. 445 828; britische Patentschrift Nr. 476 846; USA.-Patentschrift Nr. 2 414 233; ;Annalen der Physik«, Bd. 30, 1937, S. 433r; »Die Naturwissenschaften«, 1941, Heft 38, S. 575; -The physical Review«, Bd. 71, 1947, S.717 ff.