DE1263193B - Halbleitergleichrichterzelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutschem.: 21g-11/02

Nummer: 1263 193

Aktenzeichen: S 97821 VIII c/21;

Anmeldetag: 25. Juni 1965

Auslegetag: 14. März 1968

Es sind Halbleitergleichrichterzellen für Starkstrom bekannt, die aus einer Siliziumscheibe bestehen, die eine pn-, pin- oder psn-Struktur aufweist und auf ihren beiden Flachseiten mit Metallelektroden, z. B. aus Aluminium bzw. Gold mit etwa l°/o Antimongehalt kontaktiert ist. Die erste dieser Metallelektroden bedeckt üblicherweise die eine Flachseite der Siliziumscheibe ganz und ist häufig mit einer Kontaktscheibe, beispielsweise aus Molybdän, zusammenlegiert. Die zweite Elektrode ist jedoch im allgemeinen flächenmäßig kleiner als die Siliziumscheibe. Sie bedeckt nur einen Teil der anderen Flachseite, und zwar üblicherweise deren Mitte, so daß außen ein metallisch nicht kontaktierter Siliziumrand von 1 bis 2 mm Breite bleibt. Diese Gleichrichtertablette wird so in ihre Fassung eingebaut, daß die metallisch ganz kontaktierte Flachseite auf dem Fassungsboden liegt und zur Abfuhr der Verlustwärme dient. Die zweite, flächenmäßig kleinere Metallelektrode wird meistens nicht zur Wärmeabfuhr benutzt, sondern lediglich zur Stromzuführung kontaktiert. Als Anschlußkörper dient häufig eine zweite mittels Löten, Legieren oder Druckkontakt angebrachte Kontaktscheibe aus Molybdän oder Wolfram. Diese Scheibe wird üblicherweise kleiner gehalten als die von ihr kontaktierte Metallelektrode, und zwar vornehmlich deshalb, weil für die Stromzuführung allein eine kleinere Scheibe vollkommen genügt, dagegen das Anbringen einer über die Metallelektrode hinausragenden Kontaktscheibe, vor allem mittels Anlöten oder Anlegieren, schwieriger ist als das Aufbringen einer kleineren Scheibe (vgl. Österreichische Patentschrift 234 842).

Es ist nun häufig erwünscht, Halbleitergleichrichterzellen mit entgegengesetzter Polarität, aber sonst gleichen Eigenschaften herzustellen. Dies bringt für den Zusammenbau in komplizierten Schaltungen erhebliche Vereinfachungen mit sich. Die umgekehrte Polarität der Halbleitergleichrichterzellen läßt sich im Prinzip dadurch erreichen, daß die Gleichrichtertablette im Gehäuse umgedreht und mit der kleineren Metallelektrode am Fassungsboden befestigt wird. Das bedeutet aber, daß die Verlustwärme über diese kleinere Metallelektrode abgeführt werden muß. Diese Verlustwärme, die im wesentlichen während der Durchlaßbelastung der Halbleitergleichrichterzelle erzeugt wird, entsteht fast ausschließlich in demjenigen Bereich der Siliziumscheibe, der durch die Abmessungen der kleineren Metallelektrode begrenzt ist, da eine seitliche Ausbreitung des Durchlaßstromes in der Siliziumscheibe praktisch nicht stattfindet. Wenn nun die Kontaktscheibe kleiner ist als die Metallelektrode, so wird nur ein Teil des Bereiches, in Halbleitergleichrichterzelle

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Adolf Herlet, 8551 Pretzfeld

dem die Verlustwärme entsteht, wirksam gekühlt, während in dem Bereich, in dem die Metallelektrode über die Kontaktscheibe hinausragt, unzulässige Temperaturerhöhungen auftreten können.

Es wurde deshalb bereits eine Lösung vorgeschlagen, bei der die beiden Kontaktscheiben gleich groß sind, so daß die Verlustwärme nach beiden Seiten symmetrisch abgeführt wird. Diese Lösung hatte allerdings den Nachteil, daß der Abstand in Luft zwisehen den Kontaktscheiben nur so groß ist wie die Dicke der Siliziumscheibe und daß diejenige Kontaktscheibe, die die kleinere Metallelektrode bedeckt, über den Flächenbereich des Siliziums hinausragt, wo der sperrende pn-übergang an die Siliziumoberfläche tritt. Dies ist vor allem dann unvermeidbar, wenn der sperrende pn-übergang durch Einlegieren der kleineren Metallelektrode selbst erzeugt wird. In diesem Fall tritt nämlich der sperrende pn-übergang unmittelbar neben dem Rand der kleineren Metallelektrode an die Siliziumoberfläche. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß hohe Sperrspannungen Überschläge zwischen dem pn-übergang und der darüber befindlichen Kontaktscheibe bzw. zwischen der oberen und unteren Kontaktscheibe verursachen. Da das Ausfüllen des engen Zwischenraumes mit isolierenden Lacken sehr schwer fehlerfrei durchzuführen ist, konnten auch dadurch diese Überschläge nicht vollständig verhindert werden, so daß eine derartige symmetrische Lösung zwar für Halbleitergleichrichterzellen mit niedriger Sperrspannung sehr gut geeignet ist, nicht aber für solche mit hoher Sperrfähigkeit. Die Erfindung betrifft eine Halbleitergleichrichterzelle für Starkstrom mit einem einkristallinen, scheibenförmigen und einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörper, dessen eine Flachseite vollständig von einer ersten Elektrode und einer darauf befindlichen ersten Kontaktscheibe bedeckt ist und von dessen gegenüberliegender Flachseite ein mittlerer Teilbereich von einer zweiten kleineren Elektrode und einer zweiten Kontaktscheibe bedeckt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleitergleichrichterzelle so zu dimensionieren, daß keine Gefahr

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eines Spannungsüberschlages auch, bei hohen Sperrspannungen besteht und daß nach beiden Seiten der Gleichrichtertablette eine gleichwertige Wärmeabfuhr erzielt wird.

Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht darin, daß die Austrittsstelle des pn-Überganges an der Oberfläche des Halbleiterkörpers von der zweiten Elektrode einen Abstand von mehr als 1 mm hat und daß die der zweiten Elektrode zugekehrte Fläche der zweiten Kontaktscheibe größer als die zweite Elektrode ist, aber weniger als 1 mm über diese hinausragt. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird also dadurch erreicht, daß bei Siliziumgleichrichterzellen mit Kontaktscheiben aus Molybdän die Molybdänscheibe, die "die kleinere Metallelektrode bedeckt, größer als diese ist, aber nicht über den pn-übergang hinausragt. Die Wirkung der Kombination der beiden Maßnahmen zur Ausbildung der Halbleitergleichrichterzelle nach der Erfindung ist, daß einerseits die gesamte Fläche, innerhalb deren die Verlustwärme entsteht, auch bei umgekehrtem Einbau der Gleichrichtertablette in die Fassung vollständig und gleichmäßig gekühlt wird, andererseits aber der pn-übergang für eine einwandfreie Lackabdeckung zugänglich ist und durch die große Luftstrecke zwischen den beiden Kontaktscheiben keine Spannungsüberschläge entstehen können.

Ausführungsbeispiele der Halbleitergleichrichterzelle nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beschrieben.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind drei Ausführungsformen der Halbleitergleichrichterzelle nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.

In F i g. 1 bezeichnet 2 den unverändert gebliebenen Kern eines beispielsweise n-Ieitenden scheibenförmigen Siliziumeinkristalls. Durch Eindiffusion von Akzeptoren wurde der Leitungscharakter einer äußeren Schicht 3 in p-Typ umgewandelt, so daß ein pn-Übergang 4 entstanden ist. Eine Akzeptoren enthaltende Folie, z. B. aus Aluminium, ist als Elektrode 5 auf die p-leitende Flachseite des Siliziumkörpers auflegiert und mit einer z. B. aus Molybdän bestehenden Kontaktscheibe 6 kontaktiert. Eine zweite Elektrode 7, die nur einen mittleren Bereich der entgegengesetzten Flachseite bedeckt, ist durch entsprechendes Einlegieren eines Donatoren enthaltenden Metalls, z. B. einer Gold-Antimon-Legierung, erzeugt. Ihr Abstand von dem an die Siliziumoberfläche tretenden pn-übergang beträgt mindestens 1 mm, beispielsweise 2 mm. Eine auf ihr angebrachte Kontaktscheibe 8 ragt weniger als 1 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm, über sie hinaus und kühlt daher gleichmäßig die gesamte wirksame Elektrodenfläche. Zur Vermeidung leitender Brücken und zum Schutz ist die Siliziumscheibe mit einem Lack 9 überzogen.

F i g. 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 1, bei der zur Vermeidung von Überschlägen ein mit Lack gefüllter Graben 10 in der Siliziumscheibe angebracht ist, beispielsweise mittels Sandstrahlen oder Ätzen. Der wirksame pn-übergang tritt nur in dem Graben 10 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers und ist durch ein totes Gebiet 11 und den Lack 9 geschützt. In F i g. 3 ist die Siliziumscheibe abgeschrägt, beispielsweise ebenfalls durch Sandstrahlen und Ätzen. In allen drei Ausführungsbeispielen ist ein genügender Abstand zwischen Kontaktscheibe 8 und pn-übergang 4 erzielt, so daß der pn-übergang 4 für eine Lackabdeckung gut zugänglich ist. Ferner sind die Luftstrecken zwischen den Kontaktscheiben 6 und 8 so groß gewählt, daß zwischen diesen keine Spannungsüberschläge stattfinden können. Als zweckmäßig erwies sich ein Mindestabstand von 1 mm.

Die Halbleitergleichrichterzelle nach der Erfindung kann dadurch noch verbessert werden, daß die Kontaktscheibe, die kleinere Metallelektrode bedeckt, mit wachsender Entfernung von der Metallelektrode im Durchmesser größer wird, was eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr und der Überschlagfestigkeit mit sich bringt. Läßt man sie auf denselben Durchmesser wie den der größeren Kontaktscheibe anwachsen, so ist außerdem der Einbau in normaler und polvertauschter Ausführung konstruktiv einfacher zu lösen. Die Ausführungsbeispiele der Haü> leitergleichrichterzelle nach der Erfindung sind unter der Voraussetzung beschrieben, daß eine n-leitende Innenschicht den Kern 2 der-Siliziumscheibe bildet. Es leuchtet aber ohne weiteres ein, daß sie in allen Einzelheiten auch für den Fall vertauschter Leitfähigkeitstypen ρ und η gelten.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Halbleitergleichrichterzelle mit einem einkristallinen, scheibenförmigen und einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörper, dessen eine Flachseite vollständig von einer ersten Elektrode und einer darauf befindlichen ersten Kontaktscheibe bedeckt ist und von dessen gegenüberliegender Flachseite ein mittlerer Teilbereich von einer zweiten kleineren Elektrode und einer zweiten Kontaktscheibe bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsstelle des pn-Überganges an der Oberfläche des Halbleiterkörpers von der zweiten Elektrode einen Abstand von mehr als 1 mm hat und daß die der zweiten Elektrode zugekehrte Fläche der zweiten Kontaktscheibe größer als die zweite Elektrode ist, aber weniger als 1 mm über diese hinausragt.

2. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstrecke zwischen den Kontaktscheiben größer als 1 mm ist.

3. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kontaktscheibe in der von der zweiten Elektrode abgewandten Richtung eine erweiterte Flächengröße aufweist.

4. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an den nicht von Elektroden bedeckten Flächen mit einem Lack überzogen ist.

5. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleiterkörper um die kleinere Elektrode ein Graben von solcher Tiefe angebracht ist, daß der pn-übergang ringförmig unterbrochen ist.

6. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Halbleiterkörpers von der größeren zur kleineren Elektrode hin abnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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