DE1289201B

DE1289201B - Elektronisches Festkoerperbauelement zum Schalten

Info

Publication number: DE1289201B
Application number: DED45871A
Authority: DE
Inventors: Jensen Arne
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1964-11-18
Filing date: 1964-11-18
Publication date: 1969-02-13
Also published as: GB1101569A; BE672100A; US3382418A; FR1453774A; NL6514888A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten aus einem sperrschichtfreien Halbleitermaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und mit einer solchen Wärmeleitfähigkeit, daß sich beim Anlegen einer Spannung ein Pfad höherer Temperatur und damit großer elektrischer Leitfähigkeit bilden kann.

Bekannte Beispiele hierfür sind Elemente, die aus Tellur—Arsen—Jod bestehen. Gemäß weiteren Vorschlägen eignen sich hierfür Elemente, die überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems bestehen. Sie können durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze od. dgl. hergestellt werden. Ein sehr brauchbares Schaltelement mit einem Schaltsprung von mehreren Megohm auf 1 Ohm besteht beispielsweise aus 67,5% Tellur, 25% Arsen und 7,5% Germanium.

Bei derartigen Halbleiterkörpern ist im hochohmigen Zustand der Strom etwa gleichmäßig über den von den Elektroden bedeckten Querschnitt des Elements verteilt. Sobald sich an irgendeiner Stelle durch irgendeinen Umstand, der zumeist statischer und daher rein zufälliger Art ist, die Temperatur erhöht, ergibt sich infolge des negativen Temperaturkoeffizienten eine Verminderung des elektrischen Widerstandes, so daß an dieser Stelle eine höhere Stromdichte auftritt. Diese führt wiederum zu einer erhöhten Wärmeerzeugung an dieser Stelle, so daß sich schließlich dort der Pfad höherer Temperatur und großer elektrischer Leitfähigkeit bildet. Im niederohmigen Zustand fließt daher der Strom im wesentlichen durch diesen Pfad. Der Umschaltmechanismus setzt im allgemeinen ein, wenn die angelegte Spannung einen gewissen Schwellenwert überschreitet, wobei jedoch der Schwellenwert von verschiedenen äußeren Einflüssen, z. B. der Umgebungstemperatur, einem Druck auf das Festkörperbauelement u. dgl. abhängen kann.

Für viele Fälle ist es erstrebenswert, die Lage des Strompfades im niederohmigen Zustand nicht dem Zufall zu überlassen, sondern sie möglichst genau festzulegen, wobei eher eine Lage in der Mitte als am Rande des Halbleiterkörpers angestrebt wird. Außerdem ist es in manchen Fällen wünschenswert, bei einer steigenden Strombelastung im niederohmigen Zustand nicht die Stromdichte in dem Pfad höherer Temperatur zu vergrößern, was zu einer noch höheren Temperatur führen würde, sondern statt dessen den Querschnitt des leitfähigen Pfades zu vergrößern.

Gemäß der Erfindung kann man diese Ziele bei den eingangs geschilderten elektronischen Festkörperbauelementen zum Schalten auf einfache Weise dadurch erzielen, daß die an dem Halbleiterkörper angebrachten Elektroden aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung derjenigen des Halbleitermaterials liegt oder kleiner ist.

Bisher wurde das Elektrodenmaterial als völlig unkritisch betrachtet. Es wurde im allgemeinen überhaupt nicht erwähnt. Schon gar nicht wurde das Elektrodenmaterial speziell ausgesucht, um irgendwelche Verhältnisse im Halbleiterkörper zu ändern.

Wie das angestrebte Ziel erfindungsgemäß erreicht wird, läßt sich am besten an Hand der nachstehend betrachteten Figuren erläutern. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterschaltelement gemäß der Erfindung und

F i g. 2 in einem Diagramm die Temperaturverteilung über den Querschnitt.

Ein dünner zylindrischer Halbleiterkörper 1 ist in üblicher Weise zwischen zwei dickeren Elektroden 2 und 3 angeordnet, an denen die Zuleitungen 4 und 5 angelötet sind.

Wenn eine kleine Spannung an die Elektroden ano gelegt wird, fließt ein Strom mit einer sehr kleinen, etwa gleichmäßigen Stromdichte durch den gesamten Halbleiterkörper 1 und erzeugt eine kleine Wärmemenge. Diese Wärmemenge wandert zur kühleren Außenseite des Aggregats ab, wobei eine radiale Wärmeströmung überwiegt, weil wegen der erfindungsgemäßen Anpassung der Wärmeleitfähigkeit der Elektroden an diejenige des Halbleitermaterials keine bevorzugte Wärmeabwanderung in axialer Richtung vorhanden ist, wie es beispielsweise bei gut

ao wärmeleitenden Metallelektroden der Fall wäre. Weil sich die in der Mitte des Elements erzeugte Wärme nicht so schnell abbauen kann, ergibt sich eine Temperaturverteilung gemäß der Kurve α in F i g. 2, in der die Temperatur t im Innern des Halbleiterkörpers 1 über dessen Radius r aufgetragen ist.

Wenn die angelegte Spannung erhöht wird, steigt die Wärmeentwicklung im Innern des Halbleiterkörpers 1, wobei infolge des Überwiegens der radialen Wärmeströmung genau in der Mitte des Zylinders die höchste Temperatur herrscht und sich daher genau an dieser Stelle der Pfad 6 höherer Temperatur und größerer Leitfähigkeit ausbildet, wenn der kritische Wert tj, (Kurve b), der einer bestimmten angelegten Schwellenspannung entspricht, überschritten wird.

Im Bereich dieses Pfades 6 wird nun, weil der gesamte Strom sich nun nahezu vollständig auf den Querschnitt des Pfades 6 konzentriert, eine besonders große Wärmemenge erzeugt, die zur Stabilität dieses Pfades beiträgt. Wenn jedoch die angelegte Spannung noch mehr erhöht wird und eine noch höhere Temperatur in dem Pfad auftritt, werden wegen der radialen Strömung die unmittelbar an den Pfad angrenzenden Bereiche ebenfalls in einen Zustand höherer Temperatur versetzt, so daß sie einen Teil des Stromes übernehmen, wie es die Kurve c in F i g. 2 zeigt. In diesem Fall hat dann der Pfad einen Querschnitt etwa entsprechend dem schraffierten Bereich 7 in F i g. 1.

^: Somit werden wegen der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der Elektroden sowohl die Lage des Strompfades in der Mitte des Halbleiterkörpers 1 als auch dessen Querschnittsverbreiterung bei höheren Stromstärken sichergestellt.

Vorzugsweise decken die Elektroden den Halbleiterkörper beidseitig vollständig ab oder stehen sogar, wie F i g. 1 zeigt, über die Berührungsfläche mit dem Halbleiterkörper über. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die gesamte axiale Stirnfläche des Halbleiterkörpers keine mit der Umgebungsluft in Berührung stehende Außenfläche darstellt und daher die radiale Wärmeströmung über die gesamte Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers überwiegt.
Es ist nicht notwendig, die Elektroden vollständig aus dem Material geringerer Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Man kann vielmehr die Elektroden auch zwei- oder mehrschichtig herstellen, wobei lediglich die dem Halbleiterkörper zugewandte Schicht hin-

sichtlich der Wärmeleitfähigkeit an das Halbleitermaterial angepaßt ist. Auch eine solche »Dämmschicht« reicht in vielen Fällen aus, um das Überwiegen der radialen Wärmeströmung sicherzustellen.

Die Elektroden können aus den verschiedensten Materialien bestehen, beispielsweise auch aus Metall, wobei aber für ein Metall geringer Wärmeleitfähigkeit gesorgt werden muß. Solche Metalle sind beispielsweise Nickel, Nickel-Eisen-Legierungen u. dgl., deren Wärmeleitfähigkeit etwa bei 0,1 cal/sec-cm° C liegt.

Ein anderes sehr brauchbares Elektrodenmaterial ist Kohle. Hierbei muß allerdings darauf geachtet werden, daß die Kohle der Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials angepaßt ist, denn spezielle Graphitkohle hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 0,3 cal/sec-cm°C, während amorphe Kohle eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,01 cal/sec-cm° C aufweist.

Die Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials hängt von dessen speziellem Aufbau (gesintert, Glasart, monokristallin, polykristallin usw.) sowie von dessen Zusammensetzung (neben dem eingangs erwähnten Beispiel gibt es viele andere Stoffkombinationen) ab. Versuche an einigen Proben haben gezeigt, daß das untersuchte Halbleitermaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 0,01 cal/sec ■ cm⁰ C und etwas darüber besaß.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten aus einem sperrschichtfreien Halbleitermaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und mit einer solchen Wärmeleitfähigkeit, daß sich beim Anlegen einer Spannung ein Pfad höherer Temperatur und damit großer elektrischer Leitfähigkeit bilden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Halbleiterkörper angebrachten Elektroden aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung derjenigen des Halbleitermaterials liegt oder kleiner ist.

2. Elektronisches Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden den Halbleiterkörper beidseitig vollständig abdecken.

3. Elektronisches Festkörperbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden über die Berührungsfläche mit dem Halbleiterkörper überstehen.

4. Elektronisches Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zwei- oder mehrschichtig sind, wobei lediglich die dem Halbleiterkörper zugewandte Schicht hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit an das Halbleitermaterial angepaßt ist.

5. Elektronisches Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel im Elektrodenmaterial vorhanden ist.

6. Elektronisches Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle, deren Wärmeleitfähigkeit dem Halbleitermaterial angepaßt ist, als Elektrodenmaterial verwendet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen