DE1202366B - Verfahren zum Herstellen eines nicht loesbaren elektrischen Kontaktes an einer thermoelektrischen Anordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIm

Deutsche KL: 21b-27/«3* C 6

Nummer: 1202366

Aktenzeichen: A 39169 VIII c/21 b

Anmeldetag: 8. Januar 1962

Auslegetag: 7. Oktober 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines nicht lösbaren elektrischen Kontaktes zwischen dem Kontaktmetall und dem Schenkel einer thermoelektrischen Anordnung aus einem Halbleiterwerkstoff, der keine Verbindung mit dem Metall eingeht.

Thermoelektrische Elemente weisen in der Regel zwei Schenkel aus Halbleiterverbindungen, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen können und entgegengesetzten Leitungstyp haben, auf. Die Schenkel sind an dem einen Ende durch eine flache Metallbrücke miteinander verbunden, die entweder als sogenannter heißer oder kalter Übergang dient. Die anderen Enden der Schenkel sind mit einzelnen getrennten Metallplättchen verbunden. Es ist erwünscht, daß die Verbindungen zwischen den Halbleitermaterialien der Schenkel und den Metallplättchen unlösbar und so fest wie möglich sind, und daß die zwischengeschalteten Verbindungen außerdem einen guten elektrischen Kontakt und ao Wärmeübergang bilden.

Es ist bekannt, Verbindungen zwischen Halbleiterwerkstoffen und Metallplättchen durch Legieren herzustellen. Wenn aber die Schenkel eines thermoelektrischen Elementes aus verschiedenen Halbleiterwerkstoffen hergestellt werden sollen, kann ein Metall, das zum Legieren mit dem Material des einen Schenkels geeignet ist, zur Legierung mit dem Werkstoff des anderen Schenkels ungeeignet sein. Es bereitet daher häufig erhebliche Schwierigkeiten, ein Metall zu finden, aus welchem die gemeinsame Verbindung gebildet werden kann, und das demnach mit beiden Halbleiterwerkstoffen hinsichtlich der Wärmeausdehnung und der Schaffung einer einwandfreien Verbindung verträglich ist.

Bei einem bekannten thermoelektrischen Element sind die beiden aus einer Tellur-Indium- bzw. Tellur-Silber-Legierung bestehenden Halbleiterkörper mittels eines Blei-Indium-Lotes mit einer Silberelektrode unlösbar verbunden. Das Blei-Indium-Lot hat jedoch verhältnismäßig schlechte thermoelektrische Eigenschaften, die sich nachteilig auf das Thermoelement auswirken.

Zur Vermeidung einer chemischen Korrosion bei thermoelektrischen Elementen aus Platin und Siliziumkarbid ist es ferner bekannt, zwischen dem Siliziumkarbid und der Metallelektrode einen Halbleiter-Zwischenkörper aus einer Siliziumlegierung einzuschalten. Bei dieser bekannten Anordnung wird jedoch der Kontakt zwischen dem Halbleiter-Zwischenkörper und der Metallelektrode nicht durch Verfahren zum Herstellen eines nicht lösbaren
elektrischen Kontaktes an einer
thermoelektrischen Anordnung

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Murdo Fräser, Rugby, Warwickshire;

Graham Parr Tilly, Uckfield, Sussex

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 9. Januar 1961 (833)

eine unlösbare Verbindung, sondern durch den Druck einer Feder hergestellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine unlösbare mechanische und elektrische Verbindung zwischen einem Metall und einem Halbleiter herzustellen, der von sich aus keine solche Verbindung mit dem Metall eingeht, wobei zum Verbinden der beiden Teile ein Werkstoff verwendet werden soll, der noch merkliche thermoelektrische Eigenschaften hat, die zur Gesamtleistung des thermoelektrischen Elementes einen Beitrag leisten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum Verbinden des Metalls mit dem Halbleiterwerkstoff eine isomorphe Zwischenschicht aus Bleitellurid verwendet wird. Das Bleitellurid schafft eine feste Verbindung zwischen dem Metall und dem Halbleiterwerkstoff und weist außerdem die gewünschten thermoelektrischen Eigenschaften auf.

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Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Elementes gemäß der Erfindung.

Das thermoelektrische Element enthält die beiden Halbleiterkörper 1 und 2. Der Körper 1 hat einen dem Körper 2 entgegengesetzten Leitungstyp. Die Körper sind mit ihren oberen Enden mit einem Metallplättchen 3 verbunden. Ihre unteren Enden sind gleichzeitig mit entsprechenden Anschlußmetallplättchen 4 und 5 verbunden. Die Anschlußplättchen 4 und 5, der Halbleiterkörper 1, das Plättchen 3 und der Halbleiterkörper 2 bilden eine Serienschaltung. Das Plättchen 3 bildet den Übergang zwischen den Körpern 1 und 2, die während des Betriebs auf eine Temperatur gehalten werden, die von der der Anschlußmetallplättchen 4 und 5 verschieden ist. so

Gemäß einem Ausführungbeispiel der Erfindung kann der Körper 1 aus n-Bleitellurid und der Körper 2 aus p-Germaniumtellurid bestehen, während das Metall der Plättchen 3, 4 und 5 Nickel ist. Der Körper 1 des Bleitellurids kann mit Jod mit einer Konzentration von 5 -1O^-19 Atomen pro cm³ dotiert sein, um eine η-Leitfähigkeit zu erzielen. Das für den Körper 2 gebrauchte Germaniumtellurid hat p-Eigenleitung. Dieses Material kann, wenn sein Eigenwiderstand geändert werden soll, mit Wismut dotiert werden.

Es besteht keine Schwierigkeit, die Metallplättchen 3 und 4 mit dem Körper 1 zu verbinden, da Nickel und Bleitellurid miteinander verträglich sind und miteinander legiert werden können. Die Nickelplättchen können mit dem Halbleiterkörper 1 durch Erhitzen der den Körper 1 berührenden Plättchen auf eine Temperatur von 720° C ± 15° C in einer Schutzgasatmosphäre, ζ. Β. Wasserstoff oder einer Mischung von Wasserstoff und Argon, miteinander verbunden werden.

Die Schwierigkeit tritt jedoch bei der Verbindung von Nickel und Germaniumtellurid auf, da diese zwei Werkstoffe miteinander nicht verträglich sind. Die Verbindung wird jedoch gemäß der Erfindung mit Hilfe einer zwischengeschalteten isomorphen Schicht aus p-Bleitellurid bewirkt. Diese Schichten 6 und 7 sind an dem oberen und unteren Ende des Körpers 2 zur Verbindung mit den Plättchen 3 und 5 vorgesehen.

Das p-Bleitellurid, das für die dazwischenliegenden Schichten 6 und 7 gebraucht wird, kann von stöchiometrischen Anteilen von Blei und Tellur, die von sich aus p-leitend sind, zusammengesetzt sein. Statt dessen kann auch Bleitellurid, das keine stöchiometrische Zusammensetzung hat, mit Silber dotiert werden, um eine p-Leitung zu erreichen.

Um die Verbindung zwischen dem Körper 2 und den Plättchen 3 und 5 herzustellen, wird eine Schicht des p-Bleitellurids auf die erforderliche Fläche der Nickelplatten 3 und 5 aufgebracht. Dann werden die Nickelplatten mit der Schicht in der richtigen Lage erhitzt. Dadurch legiert das Bleitellurid mit dem Nickel. Es wird vorzugsweise eine Schicht von Bleitellurid in Pulverform auf die Nickelplatte aufgebracht, und zwar mit einer Feinheit, die einem Teilchendurchmesser von 0,037 mm entspricht. Die Legierungsbildung kann durch Erwärmen der Nickelplatte mit dem aufgebrachten Pulver auf eine Temperatur von 720°_:C ± 15° C in einem Schutzgas erfolgen.

.Da die zum Legieren der Zwischenschichten 6 uad 7 mit dem Nickel benötigte Temperatur die gleiche ist, die benötigt wird, um-das- Nickelplättdien mit dem Körper 1 zu verbinden, kann die Verbindung in einem einzigen Arbeitsgang vorgenommen werden.

Nachdem die Zwischenschichten auf den Nickelplättchen 3 und 5 gebildet worden sind, wird der Körper 2 mit den überzogenen Bereichen der Plättchen in Berührung gebracht. Die Verbindung des Körpers 2 mit diesen Plättchen wird dann durch Erwärmung des mit den Plättchen vereinigten Körpers auf eine Temperatur zwischen 685 und 700° C wiederum in einer Schutzgasatmosphäre von Wasserstoff oder Wasserstoff und Argon bewirkt. Die Temperatur, auf die der Körper 2 zusammen mit den Plättchen 3 und 5 erhitzt werden muß, hängt von der Zusammensetzung des Bleitellurids ab und davon, ob es dotiert ist oder nicht. Da jedoch die Temperatur, die benötigt wird, um den Körper 2 mit den Nickelplättchen 3 und 5 durch die Zwischenlagen 6 und 7 zu verbinden, niedriger ist als die, die benötigt wird, um eine Verbindung zwischen dem Körper 1 und den Plättchen 3 und 4 zu erreichen, bereitet es keine Schwierigkeiten, wenn die Verbindung des Körpers 2 nach der Verbindung zwischen dem Körper 1 und den Plättchen 3 und 4 erfolgt.

Obgleich die thermoelektrischen Eigenschaften des p-Bleitellurids beim Betrieb des thermoelektrischen Elementes durch den Kontakt mit dem Nickel ungünstig beeinflußt werden, ist die Menge des verwendeten Bleitellurids im Vergleich mit der Menge des verwendeten Germaniumtellurids in der gleichen Elektrode so klein, daß praktisch keine schädliche Wirkung auftritt.

Die Tatsache, daß die Zwischenschicht noch merkbare thermoelektrische Eigenschaften hat, bedeutet, daß sie zur Gesamtleistung der Anordnung beiträgt. Weiterhin kann die Zwischenschicht auch als eine Pufferschicht dienen, um ein mögliches Diffundieren von Metall in den Halbleiterkörper 2 zu verhindern.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines nicht lösbaren elektrischen Kontaktes zwischen dem Kontaktmetall und dem Schenkel einer thermoelektrischen Anordnung aus einem Halbleiterwerkstoff, der keine Verbindung mit dem Metall eingeht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden des Metalls mit dem Halbleiterwerkstoff eine isomorphe Zwischenschicht aus Bleitellurid verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleitellurid einen dem des Halbleiterwerkstoffs entgegengesetzten Leitungstyp hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleitellurid in Form von Pulver aufgebracht wird.

4. Thermoelektrische Anordnung, hergestellt nach dem Verfahren nach dem Anspruch 2, da-

durch gekennzeichnet, daß die Schenkel der Anordnung aus p-leitendem Germaniumtellurid einerseits und n-BIeitellurid andererseits bestehen und durch ein Nickelplättchen verbunden sind, und daß die isomorphe aus n-Bleitellurid bestehende Zwischenschicht sich zwischen dem Nickelplättchen und dem p-leitenden Germaniumtellurid befindet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 633 828; USA.-Patentschrift Nr. 2 712 563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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