DE971583C

DE971583C - Trockengleichrichter

Info

Publication number: DE971583C
Application number: DES24702A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl-Ing Waldkoetter
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1951-09-07
Filing date: 1951-09-07
Publication date: 1959-02-19

Description

Die Erfindung geht aus den bekannten Flächengleichrichtern, wie sie z. B. als Selengleichrichter und Kupferoxydulgleichrichter in die Praxis eingeführt sind. Diese Gleichrichter bestehen, wenn von gewissen Zwischenschichten abgesehen wird, im wesentlichen aus der Grundelektrode, der Halbleiterschicht und der Gegenelektrode, die bei Selengleichrichtern auch als Sperrelektrode bezeichnet wird. Mit Rücksicht auf die weite Verbreitung von Selengleichrichtern sei im

ίο folgenden der Anschaulichkeit halber auf Selengleichrichter Bezug genommen, wenngleich die Erfindung auch bei Verwendung von anderen Halbleiterschichten anwendbar ist.
Bei den vorerwähnten Flächengleichrichtern, insbesondere Selengleichrichtern, ist es bekannt, eine dünne Zwischenschicht, z. B. Lackschicht, zwischen der Halbleiterschicht und der Sperrelektrode anzubringen. Bei dem neuen Gleichrichter befindet sich zwischen der Halbleiterschicht und der Sperrelektrode ebenfalls eine Zwischenschicht oder, in anderer Bezeichnung, eine Trennschicht. Erfindungsgemäß ist diese Trennschicht im Wirkungsbereich der Sperrelektrode siebförmig durchlöchert oder von leitenden Teilchen durchsetzt, im Sinne der Bildung einer Fülle von feinsten Durchgreifstellen für die Sperrelektrode, bei solcher Verteilung dieser Durchgreifstellen, daß ihr gegenseitiger Abstand im Mittel etwa die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Zehntel der Dicke der Halbleiterschicht ist, während zugleich der Durchmesser der Durchgreifstellen klein ist (etwa ein Fünftel oder weniger, vorzugsweise höchstens ein Zehntel) zu ihrem gegenseitigen Abstand.

Es wird auf diese Weise erreicht, daß der neue Gleichrichter, obgleich er, äußerlich gesehen, ein Flächengleichrichter ist, zu einem Spitzengleichrichter wird oder, genauer gesagt, zu einem Vielfach-Spitzengleichrichter. Von den schon bekannten Spitzengleichrichtern unterscheidet er sich jedoch dadurch,

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daß die Zahl der Spitzen weitaus größer ist, als man sie auf mechanischem Wege erreichen kann. Zum näheren Verständnis der Wirkungsweise des neuen Gleichrichters ist davon auszugehen, daß bei einem Spitzengleichrichter bekanntlich das sogenannte Gleichrichterverhältnis, d. h. das Verhältnis von Sperrwiderstand zu Flußwiderstand, weitaus besser ist als bei einem Flächengleichrichter. Der Grund hierfür liegt, wie bekannt, darin, daß in der Flußrichtung ίο der Widerstand zwischen Spitze und Grundelektrode gegeben ist durch den sogenannten Ausbreitungswiderstand. Diese Erscheinung ergibt sich daraus, daß die Stromfäden des von der Spitze ausgehenden Stromes sich in der darunterliegenden Halbleiterschicht im wesentlichen halbkugelförmig verteilen. Daraus ergibt sich, daß der Bahnwiderstand, Spitze gegen Grundelektrode, auf die Einheit der kontaktierten Fläche bezogen, wesentlich kleiner ist als der Bahnwiderstand bei flächenhafter Kontaktierung, ao wiederum auf die Flächeneinheit bezogen. Der Sperrwiderstand hingegen wächst oder fällt verhältnisgleich mit der kontaktierten Fläche. Er ist nämlich gegeben durch den Widerstand der sehr dünnen Sperrschicht, hier kann praktisch von einem Ausbreitungswiderstand wegen der geringen Stärke der Sperrschicht nicht die Rede sein. Somit ist für den Widerstand in der Sperrrichtung im wesentlichen die kleine Fläche der Spitze maßgebend. Aus diesen Erscheinungen folgt das günstige Gleichrichterverhältnis bei einem Spitzengleichrichter.

Bei dem neuen Gleichrichter ist die bisherige wirksame Fläche der Gegenelektrode gleichsam aufgelöst in eine Fülle von Spitzen, deren Flächen und Entfernungen voneinander so klein sind, daß die Ausbreitungswiderstände der einzelnen Spitzen wegen der gegenseitigen Einengung sich nur in eine geringe Teilschicht der Halbleiterschicht hinein erstrecken. Es sei dies noch verdeutlicht durch die Zeichnung. In dieser ist bei 1 die Grundelektrode, bei 2 die Halbleiterschicht, bei 3 die Trennschicht angedeutet. Bei 4 sind die Durchgreifstellen und damit zugleich die Spitzen der Gegenelektrode 6 angedeutet. Zu der Zeichnung sei noch erwähnt, daß es sich nur um eine schematische Darstellung handelt und daß die Größenverhältnisse in der Zeichnung nur annähernd wiedergegeben sind. Die einzelnen Durchgreifstellen, die also zugleich die Spitzen der Gegenelektrode bilden, haben jeweils einen Ausbreitungswiderstand, der im Schnitt sich als Halbkreis darstellt. Diese betreffenden Halbkreise sind bei 5 gezeigt. Wie man sieht, reichen diese Halbkreise bzw., in räumlicher Darstellung, diese Halbkugeln nur in eine Teilschicht der Halbleiterschicht 2 hinein. Diese Teilschicht ist durch die gestrichelte Linie 2 a kenntlich gemacht.

Der Strom in der Flußrichtung verläuft von der Linie 2 a an in parallelen Stromfäden durch die übrige Halbleiterschicht 2 hindurch zur Grundelektrode 1. Mit anderen Worten, in dieser letztgenannten Teilschicht ist für den Stromfluß nicht der Ausbreitungswiderstand, sondern der gewöhnliche Querschnittswiderstand wirksam. Das bedeutet, wie leicht zu ersehen ist, daß bei dem neuen Gleichrichter der Widerstand in der Flußrichtung gegenüber einer flächenhaften Kontaktierung nur um den Unterschied erhöht ist, der sich in der Teilschicht 2 a zwischen dem Querschnittswiderstand und der Summe der Ausbreitungswiderstände (s. bei 5) ergibt. Diese Widerstandserhöhung wird um so geringer, je dichter die Durchgreifstellen 4 der Deckelektrode liegen. Dabei müssen naturgemäß bei dichter liegenden Durchgreifstellen die Spitzen entsprechend feiner sein, anders ausgedrückt, das Verhältnis zwischen der Fläche einer Durchgreifstelle und ihres Wirkungsbereiches muß auch bei dichter liegenden Durchgreifstellen etwa das gleiche bleiben, um optimale Verhältnisse zu erzielen. Aus der vorstehenden Erläuterung ist zu ersehen, daß die Zunahme des Widerstandes in der Flußrichtung gegenüber einem Gleichrichter mit flächenhafter Kontaktierung verhältnismäßig gering ist und gegebenenfalls praktisch verschwindet. In der Sperrichtung gilt für jede einzelne Spitze bzw. Durchgreifstelle 4 das, was oben bezüglich eines Spitzengleichrichters angegeben ist, nämlich, daß der Widerstand im wesentlichen gegeben ist durch die Fläche der Spitze und den Widerstand der Sperrschicht, der, spezifisch gesehen,, der gleiche bleibt wie bei flächenhafter Kontaktierung. Gegenüber der flächenhaften Kontaktierung ist aber die Fläche bei dem neuen Gleichrichter auf einen sehr kleinen Bruchteil vermindert worden, was also bedeutet, daß der Widerstand in der Sperrichtung gegenüber einer flächenhaften Kontaktierung sehr viel größer geworden ist. Theoretisch können, wie verständlich wird, auf diese Weise beliebig erhöhte Gleichrichterverhältnisse erzielt werden, wenn es gelingt, die Fülle der Löcher oder Durchgreifstellen beliebig groß zu machen.

Die Verhältnisse lassen sich auch verdeutlichen durch eine Gleichung, auf deren Ableitung hier nicht näher eingegangen zu werden braucht, die aber doch angeführt sei:

R_1n= J^ [1+β (α-I)]

Es bedeutet Rpi den Bahnwiderstand des neuen Gleichrichters in der Flußrichtung, S die Stärke der gesamten Halbleiterschicht (s. Zeichnung), K die spezifische Leitfähigkeit des verwendeten Halbleiterstoffes, F die Oberfläche der Halbleiterschicht, β das Verhältnis der Teilschichtstärke s zur Gesamtschichtstärke S des Halbleiters (s. Zeichnung), α das Verhältnis der Teilschichtstärke s des Halbleiters zum Radius der einzelnen Durchgreifstelle.

Man ersieht aus der Gleichung folgendes:

Der Widerstand in der Flußrichtung wird gleich

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dem Ausdruck j=-=, wenn die Gegenelektrode ohne Zwischenschicht mit dem Halbleiter kontaktiert ist. Die Forderung, daß sich dieser Widerstand Rm = ^^

ÄP

nicht wesentlich ändert, wenn eine Zwischenschicht mit Durchgreifstellen eingefügt wird, ist dann erfüllt, wenn der Klammerausdruck nicht wesentlich von 1 abweicht. Wird beispielsweise der Faktor α = 10 (dies bedeutet eine Vergrößerung des Sperrwiderstandes um den Faktor 100) und erreicht der Faktor β den

Wert

so erhält der Klammerausdruck den

Wert 1,09; der Flußwiderstand ist in diesem Falle um 9°/₀ größer geworden, als er es ohne Zwischenschicht sein würde; der Sperrwiderstand ist dagegen auf das ioofache des Wertes beim Flächengleichrichter gestiegen. Das Gleichrichterverhältnis hat sich also wesentlich verbessert.
Die Trennschicht zwischen der Halbleiterschicht und der Deckelektrode kann in der Weise hergestellt werden, daß sie als gesonderte Schicht auf die Halbleiteroberfläche aufgetragen wird. Für diese gesonderte Schicht wird ein geeigneter Isolierstoff, z. B. Lack, benutzt. In den Stoff, aus dem die Trennschicht hergestellt wird, werden vor dem Auftragen feinste Deckelektrodenmetallteilchen in Fein verteilung, z. B. in kolloidarer Verteilung, eingebracht. Handelt es sich um einen Trockengleichrichter mit Selen als Halbleiterschicht, so werden z. B. Zinn-Cadmium-Teilchen in der genannten Weise in den Isolierstoff eingebracht und entsprechend verteilt, z. B. durch Beschallung mit Ultraschallwellen. Alsdann wird dieser Isolierstoff ganz dünn auf die Halbleiterschicht, also z. B. auf die Selenschicht, aufgetragen. Anschließend oder später, je nach der sonstigen Durchführung des Herstellungsverfahrens, wird dann die Gegenelektrode aufgebracht. Das Herstellungsverfahren des gesamten Gleichrichters kann, abgesehen von der Zwischenschicht, in gleicher Weise durchgeführt werden, wie es bei Trockengleichrichtern bekannt ist.

Wird die Trennschicht als gesonderte Schicht aufgetragen, so kann man auch auf das Einbringen feinster Metallteilchen verzichten und statt dessen durch geeignete Maßnahmen die Trennschicht siebartig durchlöchern. Dies kann in der Weise durchgeführt • werfen, daß in an sich bekannter Art mit Hilfe eines fotochemischen Verfahrens die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung geeignet gewählte Trennschicht mit einer Kreuzrasterung od. dgl. versehen und darauf durch Ätzen die Trennschicht an den frei gelassenen Stellen durchlöchert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Trennschicht aus Schrumpflack oder ähnlichen Stoffen herzustellen, die beim Trocknen schrumpfen und in annähernd regelmäßiger Form zerreißen, derart, daß sich viele feinverteilte Löcher bilden. Es ist zur Verwirklichung der Erfindung nicht notwendig, die Trennschicht als gesonderte Schicht aufzubringen. Es ist auch möglich, eine Zwischenschicht oder Trennschicht dadurch herzustellen, daß die Gegenelektrode unmittelbar auf die Selenschicht aufgebracht und im übrigen dafür gesorgt wird, daß eine chemische Reaktion zwischen der Gegenelektrode und der Selenschicht eintritt, im Sinne der Bildung einer sehr dünnen Zwischenschicht.

Durch Beigabe von geeignet gewählten Stoffen in feinster Verteilung in die Selenschicht und/oder in das Metall der Gegenelektrode kann erreicht werden, daß bei der Bildung der chemischen Zwischenschicht in dieser Löcher in feinster Verteilung oder Stellen, ebenfalls in feinster Verteilung, verbleiben, in denen die Reaktion nicht eintritt, in denen also die Gegenelektrode unmittelbar mit der Selenschicht kontaktiert ist. An diesen Stellen bzw. an den vorerwähnten Löchern bildet sich zwischen der Deckelektrode und der Selenschicht die Sperrschicht.

Es war schon oben erwähnt, daß das sonstige Herstellungsverfahren des Gleichrichters, insbesondere Selengleichrichters, das sonst übliche sein kann. Es wird also durch einen ein- oder mehrstufigen Temperprozeß die Selenschicht in die gutleitende kristalline Modifikation übergeführt. Ebenso kann der übliche Formierprozeß vorgesehen sein. Dieser elektrische Formierprozeß ist bei dem neuen Gleichrichter aus dem Grunde besonders wirksam, weil der zum Formieren verwendete elektrische Strom (in Sperrichtung) lediglich seinen Weg durch die Durchgreifstellen der Gegenelektrode nimmt und infolgedessen hier eine erhöhte Stromdichte aufweist, was den Formierprozeß beschleunigt und in seiner Wirkung verstärkt.

Claims

Patentansprüche:

1. Trockengleichrichter mit einer zwischen dem Halbleiter und der Sperrelektrode angeordneten dünnen Trennschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht im Wirkungsbereich der Sperrelektrode siebförmig durchlöchert oder von leitenden Teilchen durchsetzt ist, im Sinne der Bildung einer Fülle von feinsten Durchgreifstellen für die Sperrelektrode, bei solcher Verteilung dieser Durchgreif stellen, daß ihr gegenseitiger Abstand im Mittel etwa die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Zehntel der Dicke der Halbleiterschicht ist, während zugleich der Durchmesser der Durchgreifstellen klein ist (etwa ein Fünftel oder weniger, vorzugsweise höchstens ein Zehntel) zu ihrem gegenseitigen Abstand.

2. Trockengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennschicht eine Isolierstoffschicht, ζ. B. in an sich bekannter Weise eine Lackschicht, verwendet ist und daß der Trennschicht in Feinverteilung, z. B. kolloidaler Verteilung, Deckelektrodenmetallteilchen, z. B. bei Selengleichrichtern Teilchen aus einer Zinn-Cadmium-Legierung, beigegeben sind, in solcher Menge, daß eine Fülle von feinsten Brücken zwischen der eigentlichen Deckelektrode und der Halbleiterschicht vorhanden ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Trockengleichrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht als gesonderte Schicht aufgetragen und durch eine fotochemische Kreuzrasterung od. dgl. siebförmig durchlöchert wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht als gesonderte Schicht aufgetragen wird, und zwar aus einem Stoff, der im Zuge einer weiteren Verfahrensstufe — z. B. bei Verwendung von Schrumpflack durch Trocknung — siebförmig durchlöchert wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Trockengleichrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Trennschicht in an sich bekannter Weise eine Zwischenschicht durch chemische Reaktion der Sperrelektrode mit der Halbleiterschicht gebildet wird und daß durch

Beimischung eines oder mehrerer feinverteilter Zusatzstoffe zur Halbleiterschicht und/oder zur Deckelektrode die chemisch erzeugte Zwischenschicht durchlöchert oder mit leitenden Teilchen durchsetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 600410;
USA.-Patentschrift Nr. 2 046 686; »Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus den Sie- 10 mens-Werken«, Bd. 18, 1939, Heft 3, S. 66;

Zeitschrift für Physik, Bd. 113, 1939, S. 402, 403 und 45;

deutsche Patentanmeldung ρ 39396 VIIIc / 2ig D (bekanntgemacht am 16. 8. 1951). 15

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 847 466, 939 220.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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