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Das Hauptpatent betrifft eine Silicum-Halbleiteranordnung, die besonders
als Gleichrichter geeignet ist. Diese Halbleiteranordnung mit einem Silicumplättchen,
das mittels eines silberhaltigen Lots auf eine Grundelektrode aus Molybdän, Wolfram
oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle auflegiert ist, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Lot mindestens eines der Elemente Silicium, Germanium, Zinn oder Blei enthält
und einen Silbergehalt von mindestens 5 % hat, während der Rest 20 % Silicium, 5011/o
Germanium,. 90 9/0 Zinn und 95 % Blei nicht übersteigt. Dadurch wird eine zuverlässige
Verbindung des sehr brüchigen Siliciumplättchens mit der Grundelektrode aus, -einem
einem Material von ähnlichem Wärmeausdehungskoeffizienten geschaffen, die den Anforderungen
gewachsen ist, welche an einen hochbelastbaren Halbleiegleichrichter gestellt werden
müssen. Die Lötmittelzusaminensetzung muß nämlich für das Erzielen bestmöglicher
Qualität des Siliciumgleichrichters einer Anzahl kritischer Forderungen gleichzeitig
gerecht werden. Insbesondere hat das erwähnte Lötmittel folgende Eigenschaften:
1. Benetzbarkeit gegenüber und Bindevermögen mit den beiden zu verbindenden Stoffen,
nämlich einerseits Silicum und andererseits Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf
Basis dieser Metalle, und zwar im geschmolzenen als auch im erstarrten Zustand;
2. einen niedrigen elektrischen und Wärmewiderstand; 3. einenpassendenWärmeausdehnungskoeffizienten
und eine gute Dehnbarkeit, die es dem Lötmittel ermöglichen', ' ein-. Siliciumplättchen
mit einer Grundelektrode der erwähnten Art über einen Temperaturbereich von 925
bis - 100 °C zu vereinigen, ohne vom Silicium wegzubrechen oder dieses zu beschädigen;
4. es reagiert mit dem Siliciumplättchen nicht in unerwünschter Weise oder beeinträchtigt
in anderer Weise dessen Eigenschaften; 5. einen niedrigen -Dampfdruck bei erhöhten
Temperaturen, so daß beim Löten oder anderen Arbeitsvorgängen, bei denen hohe Temperaturen
auftreten, keine --Kriechwege entstehen; 6. es erfordert kein Flußmittel, um eine
gute Bindung von Metall zu Metall sicherzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es,
diese. Halbleiteranordnung derart zu verbessern, daß bei der Herstellung derselben
keine Störungen der gewünschten Lage des pn-übergangs in der Nähe der von der Grundelektrode
abgewandten Oberfläche des Siliciumplättchens auftreten können.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Halbleiteranordnung nach
dem Hauptpatent dadurch weitergebildet, daß das Lot 0,5 bis 811/o Antimon und mindestens
72 % Silber enthält.
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Das erfindungsgemäß in dem Silberlot enthaltene Antimon kann während
des Löt- und Legierungsvorganges bei der Herstellung der Halbleiteranordnung in
das Silicium diffundieren und erzeugt oder verstärkt dort eine Leitfähigkeit vom
n-Typ, wobei jedenfalls eine sonst mögliche Umwandlung in die Leitfähigkeit vom
p-Typ verhindert wird.
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Es hat sich herausgestellt, daß die oben aufgezählten günstigen Eigenschaften
des Lotes nach dem Hauptpatent auch bei einem Zusatz von Antimon in den erwähnten
Mengen erhalten bleiben. Ferner betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung der erwähnten Art. Ein solches Verfahren
besteht vorzugsweise darin, daß zunächst bei einer erhöhten Temperatur das Siliciumplättchen
mit Hilfe des Antimon enthaltenden Silberlotes mit der Grundelektrode verbunden
wird und daß dann bei einer erheblich niedrigeren Temperatur eine Deckelektrode
aus dem gleichen Material wie die Grundelektrode mittels eines Aluminiumlötmittels,
das ein Dotierungsmittel vom p-Typ enthält, mit der anderen Fläche des Siliciumplättchens
verbunden wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand
der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g.1 einen senkrechten Schnitt durch eine
erfindungsgemäße Halbleiteranordnung vor dem Verschmelzen, F i g. 2 einen senkrechten
Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung und F i g. 3 einen senkrechten
Schnitt durch einen Vakuumofen, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen
geeignet ist.
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Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, ausgezeichnete Halbleiteranordnungen
oder Kristalloden mit einem pn-übergang dadurch herzustellen, daß ein Siliciumplättchen
mit einer Grundplatte festhaftend verbunden wird, die aus Molybdän, Wolfram oder
Legierungen auf der Basis dieser Metalle besteht, und für die festhaftende Verbindung
ein Silberbasislot verwendet wird, das aus 0,5 bis 8 Gewichtsprozent Antimon, bis
zu 20 Gewichtsprozent mindestens eines aus der aus Silber, Germanium, Blei und Zinn
bestehenden Gruppe ausgewählten Elements und als Rest (>720%) aus Silber zusammengesetzt
ist. Das in der erwähnten Weise festhaftend mit der Grundplatte verbundene Siliciumplättchen
ist über weite Temperaturbereiche zwischen etwa 1000 °C und Raumtemperatur während
des Verfahrens zu seiner Herstellung und im Gebrauch von einer niedrigen Temperatur
von - 100 °C bis 220 °C und höher gegen eine Beschädigung geschützt. Das aus einer
Silberbasislegierung bestehende Lot ermöglicht, daß die sich im Siliciumplättchen
beim Betrieb als Gleichrichter entwickelnde Wärme wirksam und rasch an den Molybdänendkontakt
und von diesem zu einem geeigneten Wärmestrahler abgeführt werden kann. Ferner wird
die Silberbasislegierung allen vorangehend aufgeführten Erfordernissen gerecht.
Weitere Vorteile des Silber-Antimon-Basislotes ergeben sich aus dem Nachfolgenden.
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Beispiele von Loten, die sich als zufriedenstellend erwiesen haben,
sind Legierungen aus 90 % Silber, 5 % Antimon, 511/o Zinn; 93 0/0 Silber, 5 % Germanium,
111/o Antimon, 111/o Silicium; 97,5 0% Silber, 1,5% Blei, 1% Antimon; 94% Silber,
5 % Blei, 1% Antimon; 89 0/0 Silber, 10 % Blei, 10/0 Antimon; 94% Silber, 5 % Germanium,
1% Antimon.
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Das Silberbasislot kann geringe Mengen anderer Elemente und Verunreinigungen
enthalten, voraus-' gesetzt, daß keine nennenswerte Menge eines Elements der Gruppe
III oder ein anderer Bestandteil enthalten ist, durch den das n-Silicium in p-Silicium
umgewandelt wird.
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Besonders zufriedenstellende Lote können dadurch hergestellt werden,
daß 94 bis 98% Silber, 1/z bis 20/0 Antimon und 1 bis 5 % Blei legiert werden.
Diese
Lötmittel lassen sich leicht in Folien von 0,05 mm Dicke kalt
walzen.
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Wenn diese Legierungen auf das Siliciumplättchen aufgebracht werden,
löst sich etwas Silicium aus dem Plättchen in der Legierung auf, so daß ein Lötmittel,
in dem vor der Verschmelzung kein Silicium vorhanden war, nach der Verschmelzung
etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent Silicium enthält.
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Diese Silberlote werden vorzugsweise in Form dünner Filme oder Folien
von einer Dicke von 0,025 bis 0,15 mm verwendet, obwohl die Verwendung eines Silberlötmittels
mit einer Dicke von über 0,076 mm nicht vorteilhaft ist. Die Lotlegierung braucht
jedoch nicht in Form eines Films aufgebracht zu werden. Sie kann in Pulverform oder
in körniger Form hergestellt und in geeigneter Dicke entweder trocken oder in Form
einer Paste in einem flüchtigen Lösungsmittel, wie Äthylalkohol, aufgetragen werden.
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In der F i g.1 ist eine gestapelte Gleichrichteranordnung
10 dargestellt, bei der das Silberlot gemäß der Erfindung verwendet ist.
Die gestapelte Anordnung ist vor dem Einbringen in einen Ofen gezeigt, in dem sie
auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, um das Silberbasislot und die
anderen festhaftend miteinander zu verbindenden Komponenten zur Herstellung einer
einteiligen Anordnung zu verschmelzen.
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Die Anordnung 10 besitzt eine Grundplatte 12 als Kontakt, deren Dicke
ziemlich groß sein und 0,5 bis 2,5 mm betragen kann und die einen Durchmesser von
6,4 bis 50,8 mm haben kann, sowie ein Siliciumplättchen 18. Diese Abmessungen können
für größere Gleichrichter noch größer gewählt werden. Die Grundplatte besteht aus
einem Metall, das aus der Molybdän und Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser
Metalle enthaltenden Gruppe ausgewählt ist. Sowohl Molybdän als auch Wolfram haben
einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem des Einkristallsiliciums (etwa
4,2 - 10-s je Grad Celsius) nahekommt. Legierungen aus Molybdän und Wolfram, beispielsweise
eine Legierung, die aus 511/o Wolfram und 95% Molybdän zusammengesetzt ist, haben
annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silicium. Sowohl das Molybdän
als auch das Wolfram können mit geringen Mengen anderer Metalle legiert werden,
ohne daß ihr Wärmeausdehnungskoeffizient dadurch wesentlich verändert wird. So kann
beispielsweise Molybdän mit 5 bis 25 Gewichtsprozent eines Platinmetalls, z. B.
mit Osmium oder Platin, Chrom, Nickel, Kobalt, Silicium, Kupfer und Silber legiert
werden. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen etwa 3,8 und 5 - 10-s je Grad Celsius
ist für das Zusammenwirken mit einem Siliciumplättchen zufriedenstellend. Obwohl
sowohl Molybdän als auch Wolfram eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit haben, so
daß sie die Wärme rasch von dem in Kontakt mit ihnen befindlichen Silicium ableiten,
hat das Molybdän eine viel geringere Dichte und ist für viele Anwendungen vorzuziehen.
Bei Einrichtungen, die bewegt werden, haben daher Kontaktplatten aus dem leichteren
Molybdän geringere Trägheitswirkungen als eine Wolframplatte von gleicher Größe.
Aus diesem Grunde wird nachfolgend in der Hauptsache von Molybdän gesprochen, wobei
jedoch zu berücksichtigen ist, daß Wolfram oder eine Legierung entweder mit Wolfram
oder Molybdän statt dessen verwendet werden kann. Der Molybdänkontakt 12 wird durch
Abschleifen, Ätzen und Waschen oder beispielsweise durch Sandstrahlen sorgfältig
gereinigt, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Für eine bestmögliche
Haftung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, vorher eine dünne Schicht 13 und 14
aus Silber oder einer Silberlegierung auf die beiden Stirnflächen des Kontakts 12
aufzubringen. Es kann auch eine Silberschicht 13 nur auf der Unterseite allein vorgesehen
werden. Ein zufriedenstellendes Verfahren für das Aufbringen des Silbers besteht
darin, die Stirnflächen mit Silber oder einer Legierung aus 95% Silber und 5 % Germanium
entweder in Form einer dünnen Folie oder eines feinen Pulvers zu überziehen und
das auf diese Weise behandelte Molybdän im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre
auf 1200 °C zu erhitzen. Das Silber benetzt die Oberfläche des Molybdäns rasch und
breitet sich gleichmäßig über diese aus. In anderen Fällen wurden die Molybdänflächen
zuerst mit einem Nickelphosphidüberzug versehen. Der Nickelphosphidüberzug wird
chemisch aus einer wäßrigen Lösung aufgetragen, die beispielsweise 0,02 M01/1 Nickelsulfat,
0,07 Mol/1 NiC12 und 0,225 Mol/1 Natriumhypophosphit enthält, was in einfacher Weise
dadurch geschehen kann, daß die Molybdänplatten in die Lösung eingetaucht werden.
Nachdem die Molybdänplatten für einen Zeitraum von etwa 5 bis 30 Minuten eingetaucht
gewesen sind, können sie aus der Lösung herausgenommen, getrocknet und dann auf
eine Temperatur von 1200 °C für die Dauer einer Viertelstunde oder länger erhitzt
werden. Auf diese Weise erhält man einen dünnen Nickelphosphidüberzug, der 95 %
oder mehr Nickel enthält und die Molybdänflächen bedeckt und dann in einem üblichen
Silbereyanidgalvanisierbad silberplattiert wird, so daß eine Silberschicht 14 von
annähernd 0,025 mm Dicke vorhanden ist.
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Es wurde festgestellt, daß sich wünschenswerte Ergebnisse erzielen
lassen, wenn der Molybdänkontakt mit einer dünnen Schicht aus einer Legierung überzogen
wird, die aus 10 bis 35 Gewichtsprozent Kobalt, 33 bis 22 Gewichtsprozent Nickel
und als Rest aus Eisen besteht, mit geringen Mengen Mangan und geringfügigen Verunreinigungen.
Diese Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung kann durch Walzen einer Folie oder einer Lamelle
aus Molybdän mit einem dünnen Oberflächenstreifen aus der Legierung bei einer erhöhten
Temperatur von 500 bis 1200 °C in einer inerten Atmosphäre oder unter Vakuum aufgebracht
werden. Das Material braucht eine Dicke von nur wenigen hundertstel Millimetern
für das Erzielen eines zufriedenstellenden Ergebnisses zu haben. In manchen Fällen
wurden mit diesem Material bessere Ergebnisse erreicht als bei Verwendung von NickelphosphidÜberzügen.
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Auf das Silber oder auf das Nickelkobalt oder auf den überzug 14 wird
eine Folie oder ein Film des Silber-Antimon-Basislotes »16« gemäß der Erfindung
aufgebracht.
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Die Oberseite der Platte 12 ist ebenso wie die Unterseite des Siliciumplättchens
18 eben dargestellt. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß, obwohl Platten
mit ebenen Flächen besonders zweckmäßig für die Herstellung und Verwendung sind,
auch andere Formen hergestellt und verwendet werden können. In allen Fällen ist
es erforderlich, daß die aufeinanderliegenden Flächen der Grundplatte und des Siliciumplättchens
einander genau angepaßt sind, so daß sich
eine gute Bindung des
Silberlegierungslotes ergibt und eine bestmögliche Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.
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Das Siliciumplättchen 18 hat gewöhnlich eine Dicke von etwa 0,25 mm.
Eine wesentlich größere Dicke, beispielsweise von 0,6 mm, führt zu einer geringeren
Gleichrichterwirkung, während ein wesentlich dünneres Siliciumplättchen von weniger
als 0,13 mm Dicke beispielsweise zu Durchschlägen oder anderen fehlerhaften Arbeiten
führen kann. Das Siliciumplättchen wird mit feinpolierten oder geläppten Oberflächen
hergestellt, die in einem Lösungsmittel, beispielsweise in HF HNO.- und Quecksilberlösung
geätzt werden, um jede Oberflächenverunreinigung, lose Teilchen, Vorsprünge, Rauhigkeiten
u. dgl. zu entfernen.
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Auf die Oberseite des Siliciumplättchens 18 ist eine dünne Schicht
20 aufgebracht, die beispielsweise aus einer Folie von einer Dicke von 0,025 bis
0,05 mm aus Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung besteht und vorteilhaft
aus einer Legierung von Aluminium mit einem Element aus der Gruppe III oder IV,
beispielsweise Silicium, Gallium, Indium und Germanium, dessen Aufgabe nicht nur
darin besteht, das Verlöten bzw. eine feste Verbindung des Siliciumplättchens mit
einem oberen Kontakt 22 zu ermöglichen, sondern auch eine p-Leitfähigkeit durch
Diffusion in den oberen Teil des n-leitenden Siliciumplättehens hervorruft. Die
Schicht 20 kann aus reinem Aluminium bestehen mit nur geringen Mengen an Verunreinigungen,
wie Magnesium, Natrium, Zink u. dgl., oder- aus einer Legierung mit Aluminium als
Hauptbestandteil, während der Rest aus Silicium, Gallium, Indium und Germanium sein
kann, wobei jedes dieser Elemente für sich allein oder mit einem anderen vorhanden
sein kann oder alle diese Elemente enthalten sein können. Diese Legierungen sollen
bis zu etwa 300 °C fest sein. Es können daher Folien aus folgenden Materialien verwendet
werden: 95 % Aluminium - 5 % Silicium, 88,4 % Aluminium -11,6 % Silicium, 90% Aluminium-
10% Germanium, 47 % Aluminium - 53 % Germanium, 88 % Aluminium -120% Indium, 96
% Aluminium - 4 % Indium, 50 % Aluminium - 20 % Silicium -20 % Indium -10 % Germanium,
90% Aluminium - 5% Silicium - 5% Indium, 85 % Aluminium - 5 % Silicium -5 % Indium
- 5 % Germanium, 88 0% Aluminium - 5 % Silicium -2 % Indium - 3 % Germanium -2%
Gallium. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent. Es ist kritisch,
daß die Aluminiumschicht 20 wesentlich kleiner als die Fläche des Siliciumplättchens
18 ist und daß diese auf dem Plättchen 18 mit einem beträchtlichen Spiel von den
Ecken oder von der Kante des Plättchens 18 zentriert ist. Es ist nicht erforderlich,
daß die Aluminiumschicht 20 eine Folie oder eine gesonderte Lage darstellt. Es wurde
festgestellt, daß es möglich ist, Aluminium oder die Aluminiumbasislegierung im
Vakuum auf die Unterseite eines oberen Kontaktes 22 aufzudampfen. Gegebenenfalls
können die gewählten Mittelteile der Oberseite des Siliciumplättchens mit Aluminium
oder einer Aluminiumbasislegierung durch Aufdampfen versehen werden, was dadurch
geschehen kann, daß der Rand des Plättchens abgedeckt wird.
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Der obere Kontakt 22 besteht vorteilhaft aus dem gleichen Metall wie
der untere Kontakt, nämlich aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser
Metalle. Der obere Kontakt besteht aus einem flachen Scheibenteil 24, dessen Fläche
kleiner ist als die Oberseite des Siliciumplättchens 18. Der Kontakt 22 ist mit
einem sich nach oben erstreckenden Knopf 26 ausgebildet, der mit einer Eintiefung
28 zur Aufnahme des Endes eines Leiters versehen ist. Der obere Kontakt 22 läßt
sich leicht aus Molybdän durch spanabhebende Bearbeitung herstellen. Es wurde festgestellt,
daß es zweckmäßig ist, nur die Eintiefung 28 des Kontakts 22 mit einem dünnen Überzug
29 aus einem geeigneten Lötmittel zu versehen, beispielsweise aus Legierungen aus
70% Silber und 30 0/0 Gold, einer Legierung aus 97 % Silber und 3 % Germanium, aus
Gold allein oder aus einer Legierung aus 95 % Silber und 5 % Silicium oder aus dem
vorangehend für den Endkontakt beschriebenen Nickelphosphidüberzug. Es muß mit Sorgfalt
darauf geachtet werden, daß kein Silber an oder in der Nähe des Randes des Scheibenteils
24 und an der Aluminiumschicht 20 vorhanden ist, um das Entstehen einer Kurzschlußverbindung
zu vermeiden.
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Der obere Kontakt 22 kann von einfacherer Konstruktion sein, als in
F i g. 1 gezeigt. Beispielsweise können runde Scheiben aus einem 0,77 bis 1,27 mm
dicken Molybdänblech ausgestanzt und dann die runden Scheiben auf eine Tiefe von
0,38 bis 0,63 mm zylindrisch versenkt werden, um eine Eintiefung herzustellen, die
dann mit einem Lot, beispielsweise mit einer Legierung aus 95 % Silber und 5 % Germanium,
überzogen wird.
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Hierbei ist zu erwähnen, daß der obere Kontakt nicht unbedingt eine
Eintiefung aufweisen muß, wenn diese auch für das Verlöten mit einem Leiter vorteilhaft
ist. Der obere Kontakt kann von beliebiger geeigneter Form sein, die eine feste
Verbindung eines Leiters mit dem oberen Kontakt, beispielsweise durch Löten, ermöglicht.
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Die Zahl der Teile der Anordnung kann verringert werden, wenn die
in F i g. 2 gezeigte Anordnung verwendet wird. Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung
40 besteht aus einer Kontaktplatte 42 aus Molybdän, auf dessen Unterseite 43 ein
Überzug aus einer bekannten Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung oder aus Silber oder Nickelphosphid
aufgebracht ist. Die Oberseite der Kontaktplatte 42 wird mit einem Überzug 44 von
einer Dicke von 0,025 bis 0,15 mm der Silber-Antimon-Legierung gemäß der Erfindung
entweder in Form einer Folie oder als Pulver versehen. Der übrige Teil der Anordnung,
nämlich das Siliciumplättchen 18, die Aluminiumschicht 20 und der obere Kontakt
22, ist ähnlich wie bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung.
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Die in F i g. 1 oder 2 gezeigte Anordnung wird dann in einen Ofen
50 gebracht, der in F i g. 3 dargestellt ist. Dieser Ofen weist eine Grundplatte
52 auf, durch die eine Leitung 54 geführt ist, welche mit einer Pumpe od. dgl. verbunden
ist, um im Ofen ein hohes Vakuum zu erzeugen, und eine weitere Leitung 56, durch
die ein Schutzgas, wie Helium, Argon od. dgl., eingeleitet wird, um im Ofen eine
Schutzgasatmosphäre herzustellen. Der eigentliche Ofen ist mit einer Glocke 58 aus
hitzebeständigem Glas, beispielsweise
aus einem Glas mit 96 % Quarz,
ausgerüstet, die in einer auf der Grundplatte 52 angeordneten Dichtung
60 sitzt. Eine auf der Grundplatte 52 angeordnete Stütze 62 aus feuerfestem
Material trägt einen Graphitblock 64, der mit einer oder mehreren Aushöhlungen 66
versehen ist, die zur Aufnahme der Anordnung 10, beispielsweise der in F i g. 1
gezeigten Art, dienen. Auf den Kontakt 22 der Anordnung ist ein Gewicht 68 aus einem
hochschmelzenden reaktionsträgen Metall oder aus einem anderen Material, beispielsweise
aus Graphit, aufgebracht, so daß ein leichter Druck auf das Aggregat ausgeübt wird.
Um die Glocke 58 herum kann eine dieses umgebende Heizvorrichtung 70, die ein in
einer ringförmigen Ausnehmung 72 angeordnetes Heizelement 74 aufweist,
nach unten bis in die Höhe des Graphitblocks 64 geschoben werden, um diesen durch
Strahlung zu erhitzen. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung einer Hochfrequenzheizspule
statt der Heizvorrichtung 70 mit dem Heizelement 74 erzielt.
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Das Gewicht 68 kann einem Druck von annähernd 3,1 bis 78 g/cm2 auf
die mit der Molybdänkontaktplatte verschmolzene Fläche des Siliciumplättchens entsprechen.
Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung eines Gewichts von 5 g je 6,4 mm des Durchmessers
des Siliciumplättchens erzielt. Bis zu 50 g je 6,4 mm Durchmesser der Siliciumplättchen
wurden mit guten Ergebnissen aufgebracht.
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In der Praxis wird eine Anzahl von Anordnungen 10 in den Graphitblock
64 eingesetzt, die Glocke 58
Baraufgesetzt und in die Dichtung
60 eingebracht und der Raum innerhalb der Glocke 58 durch die Rohrleitung
54 abgesaugt. Der Gasdruck innerhalb der Glocke wird auf einen außerordentlich
niedrigen Wert von weniger als 0,01 Mikron Hg herabgesetzt. Hierauf wird Wärme auf
den Graphitblock 64 durch Einschalten des Widerstandsheizelementes 74 ausgestrahlt.
Das Erhitzen verursacht gewöhnlich die Entwicklung von Gasen aus den einzelnen Teilen,
so daß das Absaugen während der Erhitzung fortgesetzt wird. In die Eintiefung wird,
benachbart der Anordnung 10, ein Thermoelement eingebracht, um die Temperatur
des letzteren bestimmen zu können.
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Die Höchsttemperaturen, die für eine zufriedenstellende festhaftende
Verbindung der Teile der Anordnung 10 erforderlich sind, liegen zwischen
850 und 1000 °C. Die Schicht 20 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
benetzt das Silicium und das Molybdän in der erforderlichen Weise erst, wenn Temperaturen
von mindestens etwa 570 °C erreicht werden. Für bestmögliche Ergebnisse sind gewöhnlich
800 °C erforderlich. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Temperatur
des Ofens so geregelt wurde, daß die Anordnung 10 eine Höchsttemperatur zwischen
870 und 925 °C erreichte. Diese Höchsttemperaturen werden für einen kurzen Zeitraum
von nicht über 1 Minute aufrechterhalten und die Temperatur dann sofort herabgesetzt.
Es wurden keine besonderen Unterschiede bei Gleichrichtern festgestellt, bei denen
die Erhitzungsgeschwindigkeit und die entsprechende Abkühlungsgeschwindigkeit so
verändert wurde, daß der Temperaturanstieg von 100 auf 875 °C in 5 Minuten oder
in 60 Minuten stattfand. Es wurde festgestellt, daß die Silberlote gemäß der Erfindung
sowohl das Silicium als auch das Molybdän rasch benetzen und eine geringe Menge
des Siliciums kurze Zeit, nachdem der Schmelzpunkt erreicht wurde, aufgelöst wurde.
Das Halten der Temperatur ist für längere Zeit, während die Silberlegierung geschmolzen
ist, möglich, hat jedoch keine besonders günstigen Ergebnisse zur Folge.
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Die Oberseite des Siliciumplättchens 18 vom n-Typ wird durch die geschmolzene
Aluminiumschicht 20 benetzt, und das Aluminium löst etwas Silicium auf und diffundiert
gleichzeitig geringfügig in das n-Siliciumplättchen hinein. Beim Abkühlen des geschmolzenen
Aluminiums schlägt sich Silicium auf das einkristalline Siliciumplättchen nieder,
so daß Silicium mit in diesem enthaltenen Aluminium abgelagert wird. Benachbart
dem Aluminium entsteht somit eine p-Siliciumschicht, die nahezu die gleiche Fläche
wie die Schicht 20 an der Oberseite hat. Auf diese Weise wird im Silicium ein pn-übergang
erhalten.
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Die für das feste Verbinden des Siliciums mit dem Molybdänkontakt
erforderliche Temperatur hängt von dem Schmelzpunkt des Silberlotes 16 ab. Obwohl
einige der Lote gemäß der Erfindung, wie festgestellt wurde, bereits bei etwa 225
°C schmelzen, ist es vorzuziehen, Lote zu verwenden, deren Schmelzpunkt zwischen
600 und 700 °C liegt. Das Benetzen des Siliciums erfolgt nicht unter einer Temperatur
von etwa 570 °C und tritt gewöhnlich bei etwa 800 °C ein. In keinem Falle ist es
zweckmäßig, ein Lot zu verwenden, das eine Temperatur erfordert, die wesentlich
über 925 °C liegt, um es zum Schmelzen und Benetzen zu bringen. Wesentlich höher
als 1000 °C liegende Temperaturen haben nachteilige Wirkungen zur Folge, so daß
unbefriedigende Gleichrichter erzeugt werden.
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Nachdem die Anordnung 10 oder 40 im Ofen behandelt worden
ist, um die Silberbasislote zu schmelzen und das feste Verbinden der einzelnen Teile
der Anordnung zu einer Diode herbeizuführen, werden die erhaltenen Anordnungen in
ein hermetisch abgedichtetes Metallgehäuse gebracht. Die Kontaktplatte 12 wird mit
diesem Metallgehäuse durch die Schicht 13 verlötet, so daß Wärme rasch und
wirksam zum Gehäuse abgeleitet werden kann. Dem Metallgehäuse ist ein wirksamer
Kühler zugeordnet, der die Wärme an die Außenluft ableitet. Wenn gewünscht, kann
das Gehäuse teilweise oder völlig mit einer isolierenden dielektrischen Flüssigkeit
gefüllt werden, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Eine solche dielektrische
Flüssigkeit ist jedoch nicht erforderlich.
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In manchen Fällen konnten verbesserte Gleichrichter dadurch erzielt
werden, daß die Bestandteile in zwei Stufen miteinander verbunden wurden. Bei der
Durchführung des zweistufigen Verfahrens, beispielsweise mit der in F i g. 1 dargestellten
Anordnung, werden nur die Kontaktplatte 12, das Siliciumplättchen 18 und die Zwischenschicht
aus Silberbasislötmittel in den Graphitblock 64 mit aufgesetztem Gewicht
68 gebracht. Die Temperatur des Ofens wird so geregelt, daß die Temperatur dieser
3 Teile einen Wert zwischen 850 und 1000 °C erreicht. Hierdurch wird eine gute Benetzung
des Molybdäns und des Siliciums durch das Silber-Antimon-Basislot sichergestellt.
Die Anordnung wird dann ziemlich weit unter die Temperatur abgekühlt, bei welcher
das Silberbasislot flüssig ist. Zur erleichterten Handhabung wird die Anordnung
etwa auf Raumtemperatur abgekühlt. Nachdem die Aluminiumschicht 20 auf die
Oberseite des Siliciumplättchens 18
aufgebracht worden ist, wird auf diese
der obere
Kontakt 24 aufgebracht. Hierauf wird die Anordnung von
neuem in den Graphitblock 64 gebracht, das Gewicht 68 aufgelegt und der Ofen abgesaugt.
Die Temperatur des Ofens wird so geregelt, daß die sich unter dem Gewicht 68 befindende
Anordnung auf eine Temperatur erhitzt wird, die 850 °C nicht übersteigt, und dann
auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Nachfolgend wird ein Beispiel für das letztbeschriebene Verfahren
gegeben. Auf eine kreisförmige Scheibe aus Molybdän mit einem Durchmesser von annähernd
25,4 mm und einer Dicke von 1,27 mm wurde eine Folie mit einem Durchmesser von annähernd
7,2 mm und einer Dicke von 0,075 mm aus einer der genannten Legierungen aufgebracht.
Auf das Silberlot wurde dann ein Siliciumplättchen mit einem Durchmesser von 6,4
mm und einer Dicke von 0,25 mm aufgebracht. Diese 3 Teile ,Wurden dann in einen
evakuierten Ofen gebracht und ein Druck. von 5 g ausgeübt. Hierauf wurde die Anordnung
auf 1000'C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Sodann wurde auf
die Oberseite des Siliciumplättchens eine. Aluminiumfolie mit einem Durchmesser
von annähernd 4 mm aufgebracht und auf diese ein Endkontakt aus Molybdän vom gleichen
Durchmesser. Anschließend wurde die Anordnung von neuem in den. Ofen gebracht und
ein Gewicht von 5 g aufgesetzt. Nach der Erhitzung der Anordnung auf 850 °C und
Abkühlung auf Raumtemperatur wurden Gleichrichtereinheiten erhalten, die völlig
einwandfrei waren und keine Risse oder andere Fehler zeigten.
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In einem anderen Fall wurden Gleichrichtereinheiten aus Molybdänscheiben
von einem Durchmesser von annähernd 25,4 mm und einer Dicke von 1,27 bis 1,72 mm
hergestellt, auf die eine Schicht aus einer Legierung, bestehend aus 29% Nickel,
1711/o Kobalt, Rest im wesentlichen Eisen mit einer kleinen Menge Mangan und von
einer Dicke von 0,1 mm aufgebracht wurde. Auf die Molybdänscheibe wurde eine Folie
von einem Durchmesser von 7,2 mm und einer Dicke von 0,075 mm aus 94% Silber, 5%
Germanium und 1% Antimon aufgebracht. Sodann wurde ein Siliciumplättchen mit einer
Dicke von 0,25 mm und einem Durchmesser von 6,4 mm auf der Silberlegierungsfolie
zentriert und dann auf die Oberseite des Siliciumplättchens eine kreisförmige Scheibe
von einem Durchmesser von annähernd 5,1 mm und einer Dicke von 0,05 mm aus einer
Legierung aus 95% Aluminium und 51)/o Silicium aufgebracht und auf diese Scheibe
ein Molybdänkontakt von gleichem Durchmesser aufgesetzt. Das Ganze wurde in einen
Ofen mit einem aufgesetzten Gewicht von 5 g gebracht und einige Minuten lang auf
etwa 1000 °C erhitzt und dann während eines Zeitraums von 30 Minuten auf Raumtemperatur
abgekühlt. Diese Gleichrichtereinheit zeigte bei der Prüfung ausgezeichnete Eigenschaften
hinsichtlich .des Durchlaßspannungsabfalls und war in jeder Beziehung einwandfrei.
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Bei der Prüfung zahlreicher Gleichrichtereinheiten, die nach der Erfindung
hergestellt worden waren, veränderte sich der Durchiaßspannungsabfall bei Einheiten
mit Siliciumplättchen von einem Durchmesser von 6;4 mm von 0,7 bis 0;81 Volt für
#Gleichstromausgänge bis zu 30 Ampere bei Spannungen bis zu i 300 Volt. Bei verschiedenen
Versuchen wurden die vollständigen Gieichrichtereinheiten auf einer heißen Platte
von Raumtemperatur auf 250 bis 300 °C erhitzt und mehrere Male auf Raumtemperatur
zurückgekühlt. Selbst nach zwölf solchen Behandlungen trat keine wesentliche Veränderung
im Durchlaßspannungsabfall ein. In anderen Fällen wurden die gleichen Einheiten
einer Temperaturwechselprüfung unterzogen, bei der sie auf - 60 °C abgekühlt und
dann in einem Luftofen rasch auf 200 °C erhitzt wurden. Es wurde keine bemerkbare
Veränderung im Durchlaßspannungsabfall beobachtet.