NO123715B - - Google Patents

Description

Halvlederdiode.

Foreliggende oppfinnelse angår halvlederdioder, og mer spesielt halvlederdioder av den art som omfatter et hus, et halvlederelement anbragt i huset, samt to kontaktelementer som strekker seg inn i huset.

Diodelikerettere som anvender halvlederdioder, har vært på markedet i mange år, men har ikke vist seg særlig tilfredsstillende hverken med hensyn til pris eller driftsegenskaper. F. eks. har strømgjen-nomgangsevnen for slike dioder vært liten sammenlignet med deres utvendige mål. Videre har slike dioders evne til å spre eller bortlede varmen som genereres i dioden vært meget liten. En av årsakene til den høye prisen for slike dioder har vært at en vesentlig del av diodene ødelegges under fremstillingen.

Halvlederdioder av hittil kjente typer

er også meget skjøre og må derfor behand-

les forsiktig i bruk, men ødelegges likevel ofte.

Det er hovedformålet for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret halvlederdiode som har høy strøm-gjennomgangsevne i forhold til de utvendige mål, som har et godt frem- og tilbake-istrømsforhold, og som fremstilles til en pris som ligger betraktelig under prisen til tidligere kjente halvlederdioder.

Et annet formål for oppfinnelsen er å tilveiebringe en halvlederdiode med små dimensjoner, som er robust og pålitelig i drift, og som kan anvendes under meget krevende driftsforhold, f. eks. slike driftsforhold som foreligger i apparater som anvendes i fly, raketter og andre luftfartøyer.

Halvlederdioden ifølge oppfinnelsen er

av den art som omfattter et hus, et haiv-lederelement anbragt i huset, et første kontaktelement som strekker seg delvis inn i huset, slik at den ene siden av halvlederelementet er forbundet med huset, et metallstykke som er forbundet med halvlederelementet ved den motsatte siden av den forannevnte side, samt et annet kontaktelement som er isolert fra det førstnevnte kontaktelement, og som er elektrisk forbundet med metallstykket, og halvlederdioden ifølge oppfinnelsen karakteriseres ved at nevnte metallstykke omfatter aluminium samt en tilstrekkelig stor prosent-

vis andel trinn, slik at metallstykket blir forholdsvis mykt, og slik at det hindrer at halvlederen sprekker ved avkjøling.

En foretrukket utførelsesform for en halvlederdiode ifølge oppfinnelsen karakteriseres videre ved at det andre kontakt-elementet forsynes med en forholdsvis stor overflatedel som presses ettergivende i kontakt med metallstykket, slik at det tilveiebringes god elektrisk og termisk forbindelse mellom disse.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnel-

sen vil fremgå av den følgende beskrivelse i forbindelse med hostående tegning, som viser et par utførelsesformer for oppfinnel-

sen.

På tegningene viser:

Flg. 1 et perspektivriss av halvlederdioden ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 et riss av dioden vist på fig. 1

langs linjen 2—2 på denne,

fig. 3 et riss av dioden vist på fig. 1

langs linjen 3—3 på fig. 2, idet en antar at hele likeretteren vises på fig. 2,

fig. 4 et perspektivriss av en del av en anode som passer for anvendelse ved en diode ifølge oppfinnelsen, idet de forskjellige deler er tatt fra hverandre,

fig. 5 et tverrsnitt av en alternativ ut-førelsesform for en halvlederdiode ifølge den foreliggende oppfinnelse, og

fig. 6 et perspektivriss av en P-N halvlederforbindelse som passer til å brukes ved diodene vist på fig. 1 og 5.

Som det fremgår av fig. 1 og 2 består en halvlederdiode 10 av et hermetisk forseglet hus, som inneholder en P-N halvlederforbindelse 11. Huset er forsynt med motsatt rettede aksielle kontaktelementer eller tapper 12 og 13, som er forbundet henholdsvis til de motsatte sider på halvlederen 11. Tappene 12 og 13 er utstyrt med utvendige gjenger som vist og fordi de er fast festet til diodehuset, kan de anvendes for fysisk befestigelise til dioden 10 såvel som for en operativ forbindelse til denne i et elektrisk skjema. Og i tillegg til dette kan tappene 12 og 13 festes eller for-bindes til passende utvendige varmespre-dere (ikke vist) for å gjøre dioden 10 i stand til å kunne anvendes ved meget sterke strømgjennomganger ved at en forholdsvis stor varmemengde overføres til det omkringliggende medium.

Ifølge foreliggende oppfinnelse, og best vist på fig. 2, er koblingstappene 12 og 13 utstyrt med utovergående varmeavgivende flenser 15 og 16 som er anbragt over de motsatte ender på en isolerende ende 17. Hylsen 17 kan utformes av passende keramisk materiale og et hermetisk tett segl kan tilveiebringes, på enhver passende måte, mellom hylsen 17 og flensene 15 og 16. Ved utførelsen av oppfinnelsen som illu-strert på fig. 2, er et par flate silikonstopp-skiver 20 sementert eller limt til hyllsen 17 og til flensene 15 og 16 for å tilveiebringe dette segl. Og fordi en solid mekanisk forbindelse mellom befestiglsestappene eller koblingsstykkene 12 og 13 og hylsen 17 er ønskelig, er gjengete tapper 18 og 19 henholdsvis anbragt på innsiden av flensene 15 og 16 for å mottas i den gjengete boring i hylsen 17. Flensdelene 15 og 16 kan strek-kes utover de utvendige kantene på hylsen 17 for således å tilveiebringe en stor varmeutstrålende overflate. I tillegg til dette kan flensene 15 og 16 være utstyrt med heksagonale flater på de utovergående kantene for å muliggjøre anvendelsen av konvensjonelle nøkler for sammensetting og befestigelse av dioden 10 til tilhørende apparater.

Halvlederen 11 er fortrinnsvis en skive-formet P-N forbindelse av forholdsvis liten tykkelse og har en halvlederforbindelse som. er i det vesentlige parellell med og anbragt i overgangen med skivens ytre overflate. Et metallstykke 23 er sentrisk anbragt på den ene siden av halvlederen 11 og er bun-det eller knyttet til det tilstøtende overfla-testykket på denne over en forholdsvis stor flate. Som det best ses av fig. 3, er stykket 23 montert i avstand fra kantene på halv-lederskiven for således å tilveiebringe en stor lekkasjemotstandsvei mellom de motsatte sider av halvlederen 11. Den siden av skiven på hvilken stykket 23 skal plaseres, beror vanligvis på den spesielle teknikk som er anvendt ved utformingen av P-N forbindelsen. F. eks., hvis forbindelsen er laget ved en legeringsprosess hvor aksep-terer pålegges den ene siden av en krys-tallskive av N-typen, er det mest praktisk å plasere metallstykket på P-siden av halvlederen 11. På den annen side, hvis an-givere (donorer) er påført en P-type krystall for å lage halvlederforbindelsen, er metallstykket vanligvis påført N-siden av halvlederen 11. For enkelhets skyld skal dioden ifølge oppfinnelsen beskrives, idet det antas at halvlederen 11 er utført med metallstykket 23 på P-siden av forbindelsen.

Som vist, er N-siden på halvlederen. 11 sentrisk med og festet, f. eks. ved lodding, til en anleggsflate på en aksiell blokk 24 som strekker seg ut fra tappen 18. Ved dioden 10 er derfor tappen eller kontakten

12, som er forbundet til N-siden på halvlederen 11, katodekontakten, og tappen eller kontakten 13 som er elektrisk forbundet med P-siden på halvlederen 11, anodekontakten.

For å muliggjøre overføring av sterke strømmer av størrelsesorden 5 Amp. gjennom halvlederen 11, er en stor flatekon-takt fremskaffet mellom tappen 13 og P-siden på halvlederen 11. Ved en praktisk prøve av oppfinnelsen var denne kontaktflate av størrelsesorden 0,2 cm<2>. Ved de fleste tidligere kjente typer halvledere er denne forbindelsen i form av en meget tynn metalltråd eller «føler» som har en ut-pekende ende som berører halvlederen. Siden en slik føler ikke er i stand til å føre sterke strømmer, er ikke slike dioder hen-siktsmessige ved mange anvendelser. En annen viktig fordel ved den foreliggende konstruksjon er at ved å skaffe en forbindelse med stor tverrnittsflate mellom anodekontakten 13 og halvlederen 11, er eni god varmeledningsvei fremskaffet fra halv- j lederforbindelsen til den varmeutstrålende. overflaten på kontakten 13, dvs. til flensen 16 og til enhver utvendig anbragt varme-spreder (ikke vist) som kan stå i forbindelse med kontakten 13.

For å tilveiebringe den store kontakt-flaten til metallstykket 23 på halvlederen 11 er en kontaktknapp 26 som har et stort forsideareal 26a, elektrisk forbundet over en bøyelig ledende kabel 27 med tappen 13. Som vist, er forsidearealet 26a flatt, men det vil være klart for fagfolk at under visse omstendigheter kan det være ønskelig å anvende andre konturer på knappen, som f. eks. en konkav eller irregulær utforming. Imidlertid er det nødvendig, likegyldig hvilken form forsidearealet 26a har, at knappen 26 berører bare metallstykket 23 og ikke den utsatte overflaten på halvleder-krystallet.

Ifølge et annet særtrekk ved den foreliggende oppfinnelsen, er metallstykket 23 forholdsvis bløtt, slik at når kontaktknappen 26 presses mot denne, deformeres metallstykket 23 delvis og sikrer derved at en stor kontaktflate oppnås. Det kan således ses at en har fremskaffet en god varmeledende vei til kontaktstykket 13 for varmen som genereres i halvlederforbindelsen Det er en like god varmeledende vei fra denne halvlederforbindelsen til katodekontakten 12. Imidlertid overføres i praksis mesteparten av den varmen som genereres gjennom anodekontakten 13.

Siden dioden 10 er tenkt brukt ved anvendelser hvor temperaturen varierer over et stort område, er kontaktknappen 26 presset mot metallstykket 23 på en ettergivende måte ved hjelp av en sammen-trykkbar stoppskive 28, slik at halvlederen 11, når kontaktoppbyggingen bestående av tappene 18 og 19, flensene 15 og 16 og kontaktene 12 og 13 utvider seg og trekker seg sammen i samsvar med temperatur-forandringene, ikke er utsatt for farlige kompresjonskrefter som lett kan bringe halvlederen til å sprekke eller skades på annen måte. Mer detaljert er kontakten 13 utstyrt med en sentral utskjæring 29 gjennom hvilken den bøyelige leder 27 strekker seg fritt. Kontaktknappen 26 holdes i tilnærmet fast stilling i forhold til halvlederen 11 ved hjelp av en aksial tapp 30 på denne som strekker seg inn i utskjæringen 29 og er festet i innerenden på denne til lederen 27. Fortrinsvis er en løs pak-ning tilvelebragt mellom tappen 30 på kontaktknappen 26 og utskjæringen 29 i kontaktstykket 13. Som vist kan innerenden av kabelen 27 festes til tappen 30 på kontaktknappen 26 ved å lodde dennes ende til det utborede aksielle hull 30a utført i enden av tappen 30. Lederen 27 loddes til enden av kontakten 13 for således å full-føre den elektriske vei og varmeveien fra kontaktknappen 26 til anodekontakten 13. Fortrinnsvis er lederen 27 laget av en flettet kabel bestående av en mangfoldighet av forholdsvis tynne ledende tråder, for således å tilveiebringe den nødvendige bøyelige forbindelsen mellom kontakten 13 og kontaktknappen 26. Kontaktknappen 26 er derfor bevegelig over en liten aksiell distanse mot og fra halvlederen 11. Kon-troll av størrelsen av den kraften som ut-øves mot kontaktknappen 26 for å presse denne mot metallstykket 23 når flensen 16 på anodekontakten 13 er bragt opp tett mot den tilstøtende enden på hylsen 17, er fremskaffet ved hjelp av den sammentrykkbare stoppskiven 28. Stoppskiven 28 er fortrinnsvis laget av silikon siden dette materiale beholder sin sammentrykkbarhet ved de høye temperaturer som dioden 10 kan brukes under. Det må imidlertid selvfølge-lig forstås at hvis temperaturen eller andre driftsforhold tillater det, kan en anvende en gummistoppskive eller til og med anvende en metallisk fjær for det ovennevnte formål.

Et hermetisk tett segl kan mest passende fremskaffes mellom den flettede kabel 27 og kontaktstykket 13 ved å plasere enden 27a på kabelen i umiddelbar nær-het av enden av kontaktstykket 13 og deretter lodde kabelen 27 til kontaktstykket 13 ved å dyppe hele forbindelsen ned i en dam bestående av smeltet loddemetall.

Ved den utførelsen av oppfinnelsen som ovenfor er beskrevet i forbindelse med dioden 10, er halvlederen 11 festet inne i en hermetisk forseglet kapsel og begge sider av halvlederen er direkte forbundet over store tverrsnittsflater til temmelig massive elektrodekontakter 12 og 13. Som følge av det faktum at tappene 18 og 19 på kontaktene 12 og 13 strekker seg et betraktelig stykke inn i hylsens 17 utboring, kan en anvende en forholdsvis lang hylse og flensene 15 og 16 kan spres vidt fra hverandre, og således muliggjøre en utvendig varmeavledningsvei mellom flensene 15 og 16 tvers over den ytre overflaten på hylsen

17 som er tilstrekkelig lang slik at den

ikke ødelegges selv under de vanskeligste ytre driftsforhold. Selv om den indre var-meledningsveien i dioden 10 mellom kontakttappene 18 og 19 er forholdvis kort,

er denne vei hermetisk forseglet fra om-givelsene og der er ingen nevneverdig av ledningsstrøm over denne ved spenningei som i høy grad overgår de ved hvilke gjen-nomslag kan inntreffe tvers over den ytre avledningsvei under de vanskeligste driftsforhold.

For å redusere prisen på dioden 10 for anvendelser hvor de omgivende driftsforhold er mer eller mindre ideelle, kan hylsen 17 lages av et porøst isolerende materiale som f. eks. såkalt plast, og hermetisk tette segl behøver ikke å anvendes mellom endene på hylsen 17 og de resp. kontaktflenser 15 og 16. Under de fleste driftsforhold er det imidlertid ønskelig at halvlederen 11 anbringes i et hermetisk tett kammer.

Selv om halvlederforbindelsen 11 kan bestå av ethvert passende halvledermateri-ale som f. eks. germanium, silikon osv. er det ønskelig på grunn av det faktum at silikon har en større strømbærende evne enn germanium og andre brukbare halv-ledermaterialer, at halvlederen 11 består av silikon med de nødvendige forurens-ningstilsetninger for å lage en P.-N.-forbindelse i overgangen mellom de mot-stående sider av denne.

Ifølge et annet viktig formål ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en forbedret metode for å fremstille en P-N forbindelse silikon halvleder, og denne metode skal nå beskrives i forbindelse med halvlederen vist perspektivisk på fig. 6. Halvlederen som her er vist, består av en rektangulær silikonskive 40 som har en P-N forbindelse i et plan 41 som stoller den positive eller P-delen på halvlederen som er anbragt på toppen av krystallet, som vist på fig. 6, og den negative eller N-delen av krystallet 40 som er anbragt ved bunnen som vist på fig. 6. Det vil forstås av fagfolk at halvlederforbindelsen ikke er absolutt plan, men kan ha forskjellige grader av ujevnhet beroende i høy grad på den fremstillingsteknikk som anvendes ved formingen. Ved denne be-skrivelsen skal en imidlertid anta at halvlederen er plan. Hele krystallskiven 40 som er vist rektangulær, men som kan være sirkulær eller av enhver annen form, er til å begynne med avkuttet fra et større enkelkrystall av N-typen silikon. Dette krystall kan dannes ifølge velkjente me-toder fra et silikonmetall som inneholder en kontrollert mengde av passende donor-urenheter som f. eks. antimon. For å danne forbindelsen tilsettes en kontrollert mengde akseptorer som tilsettes på oversiden av krystallet 40 ved først å plasere en metallisk flekk bestående av aluminium og gallium på oversiden av denne og deretter plasere en annen metallisk flekk bestående i det vesentlige av rent tinn på oversiden av den første flekken og deretter opphete hele enheten. Hvis ønsket, kan en plasere et tynt folie tinn under krystallet 40 slik at der dannes en i det vesentlige ohmsk forbindelse til bunnen av krystallet, når det opphetes. For å opphete enheten heves det til en temperatur på omtrent 950° C, slik at aluminiumet og de tilstøtende deler av silikonkrystallet 40 danner en aluminium-silikon eutektisk sammensetning som smelter og tillater galliumet, som tilføres ak-septorene til krystallet 40, og oppløses inne i den øvre delen av silikonkrystallet. Ved denne temperatur smelter tinnet og sprer seg utover flekken og bløter denne opp slik at når enheten avkjøles og silikonet rekrystalliseres, sprekker ikke krystallet 40 eller den bringes ikke på annen måte i indre spenninger på grunn av forskjellen i utvidelseskoeffisienter av silikonkrystallet og av flekken. Ved fraværet av tinn er flekken 23 forholdsvis hard, og dette med-fører en permanent indre spenning i halv-lederkrystallet når enheten kjøler etter opphetningen. Tilstedeværelsen av tinn i flekken 23 bløter denne opp og eliminerer derved disse uønskete indre spennings-mønstre. Videre sikrer — som antydet ovenfor — den bløte flekken en god varme-og strømledende forbindelse mellom krystallet og anodekontakten.

Mens halvlederen og flekken opphetes, smelter tinnfoliet på bunnen av krystallet 40 og legerer seg med den lavere delen av krystallet og danner en i det vesentlige ohmsk forbindelse, som — som ovenfor beskrevet — besørger loddingen av krystallet til katodekontakten. Selvom tinnet kan tilsettes direkte til aluminium- og gallium-flekken fordi tinn og aluminium ikke er blandbare, er det den foretrukne metode ved dannelsen av en bløt flekk å plasere en ren tinndråpe på toppen av en aluminium- og galliumflekk som først plaseres på krystallet 40.

Selv om P.-N. forbindelsen ved silikonkrystallet kan dannes på den ovenfor beskrevne måte, kan den også dannes ved å gro eller vokse et P-type krystall med en kontrollert mengde av akseptorer og deretter tilveiebringe en metallisk flekk som inneholder en donor eller et donor-materiale som f. eks. antimon eller bor eller plasere en annen tinnflekk før en foretar opphetningen. Ved en P-N forbin-deise silikonhalvleder som er dannet på denne måte, er den bløte metalliske flekken på det ferdige krystall på den negative eller N-siden av forbindelsen.

Ifølge en foretrukket fremgangsmåte for å fremstille dioden 10 er halvlederforbindelsen 11 først dannet for således å tilveiebringe et tynt lag godt ledende me-tall, som f. eks. tinn på den ene siden av denne og en bløt metallisk flekk 23 på den andre siden. Den fortinnede siden på halvlederen 11 er deretter sentrert på og loddet til befestigelsesflaten på blokken 24 på tappen 18. Kontaktknappen 26 som fortrinnsvis er laget av sølv, selvom andre gode ledende materialer kan anvendes for dette formål, er loddet over enden på kabelen 27 og den frie enden på kabelen 27 er deretter skjøvet gjennom stoppskiven 28 og boringen 29 på anodekontakten 13. Deretter er den frie enden på kabelen 27 kuttet av ved 27a i nærheten av enden på kontakten 13 og anodeurenheten dyppes ned i smeltet loddemetall for å tilveiebringe en god elektrisk og varmeforbin-delse mellom kabelen 27 og tappen 13, og i tillegg til dette å fremskaffe et hermetisk tett segl mellom disse elementer slik at anodeenheten er absolutt tett. Flatene på stoppskivene 20 blir deretter belagt med et bindemiddel, som f. eks. en epoksyharpiks, og tres over de resp. tappene 18 og 19. Ka-toden 12 og anoden 13 som kan lages av kopper eller ethvert annet godt ledende materiale som også bør være et godt varmeledende materiale, tres derpå på de motsatte endene på hylsen 17 inntil stoppskivene 20 og stoppskivene 28 er presset sammen i en viss grad. Når epoksyhar-piksen er stivnet eller modnet, enten ved romtemperaturer eller på annen måte, er dioden komplett og ferdig til bruk.

En har funnet at når sterke strømmer først passerer gjennom dioden 10 under prøvning av flekken 23, sveises denne over en forholdsvis stor flate til overfalten eller for siden av kontaktknappen 26. Det er ganske klart at motstanden til denne forbindelsen, både med hensyn til den elektriske strøm og med hensyn til varmeled-ningen reduseres i sterk grad, idet denne sveising foregår.

Mens det forstås at materialene som anvendes for å lage de forskjellige delene av likeretteren 10, kan varieres ifølge kon-struksjonen og anvendelsen til likeretteren, og mens det forstås at de forskjellige dimensjonene også kan variere ifølge kon-struksjonen og likeretterens anvendelse, har en funnet at de følgende materialer og dimensjoner tilveiebringer en likeretter av høy kvalitet som virker tilfredsstillende under meget vanskelige driftsforhold. Den følgende tabell angir de anvendte deler.

Materialer:

Kontakter 12 og 13.. Kopper

Hylse 17 Keramisk materiale Halvlederen 11 .... Silikon Metallstykket ...... Aluminium Gallium

Tinn Kontaktknapp 26 .... Sølv

Flettet kabel 27 .... Kopper Diviensjoner:

Vidden av flenser 15

og 16 ............ 15,87 mm

Tykkelse av flenser

15 og 16 .......... 11,11 mm

Totallengde av kon-

takter 12, 13 ...... 19,84 mm

Lengde av hylse 17.. 12,70 mm Utvendig diameter av

hylse 17 .......... 14,29 mm

Tykkelse av halvleder

11 .............. 0,254 mm

Flateareal av halv-

leder 11 .......... 6,84 cm<2>

Elektriske spesifikasjoner:

Minimum forover-

gående strøm ved 25° C ............ 5 amp. — 1,5 V

Med henvisning til fig. 5 viser denne en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen hvor tappdelene på kontaktene 12 og 13 er erstattet med et flertall sylindriske fordypninger 35 og 36. De andre delene på diodene, som er angitt som 10a, er i det vesentlige de samme som de som er anvendt ved dioden 10 og er følgelig angitt med like henvisningstall. De deler som har de samme funksjoner, men som er struk-turelt modifisert, er angitt med endelsen a.

For å forbinde dioden 10a til et bruks-apparat er forbindelser i form av sylindriske kabler eller ledninger (ikke vist) inn-skjøvet i fordypninger 35 og 36 og kan knyttes til de resp. kontakter 12a og 13a ved lodding eller sveising.

Ved den utførelse av oppfinnelsen som er vist på fig. 5, er stoppskivene 20 sløyfet. Et hermetisk tett segl kan ikke desto mindre tilveiebringes ved å fortinne endene på hylsen 7 før delene settes sammen, slik at den ferdige diode 10a kan opphetes i en passende ovn for å fremvirke et segl mellom kontakttappene 12 og 13 og hylsen 17.

Claims (3)

1. Halvlederdiode omfattende et hus, et i huset anbrakt halvlederelement (11) hvis ene ende er forbundet med et første kontaktelement (12, 18) som strekker seg delvis inn i huset, idet et metallstykke (23) er forbundet med halvlederelementet på den motsatte av den foran nevnte ene side, og et annet kontaktelement (13, 19) isolert fra det førstnevnte kontaktelement og elektrisk forbundet med metallstykket, karakterisert ved at materialet i metallstykket (23) omfatter aluminium og en tilstrekkelig stor prosentvis andel tinn, slik at metallstykket (23) blir forholdsvis mykt og slik at det hindrer at halvlederelementet (11) sprekker ved avkjøling.

2. Halvleder-diode som angitt i påstand 1, karakterisert ved at nevnte andre kontaktelement (13) er utført med stor overflatedel (26a) som er ettergivende presset i kontakt mot metallstykket (23) for å skaffe god elektrisk og termisk forbindelse mellom disse.

3. Halvleder-diode som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at huset omfatter en isolerende hylse (17), idet det første kontaktelement (12) har en forholdsvis stor masse og er festet til den isolerende hylsen (17) over en av endene på denne, samt at det annet kontaktelement (13) også har en forholdsvis stor masse og er festet over den andre enden av hylsen (17).