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Halbleiterzelle mit einer gekapselten Halbleiteranordnung mit vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterzelle mit einer in einem Gehäuse gasdicht gekapselten Halbleiteranordnung mit vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp (npnp), deren Fläche gross ist im Verhältnis zu ihrer Dicke, und von denen eine äussere Schicht mit einer ringförmig ausgebildeten Legierungselektrode versehen ist, in deren Bohrung der Anschlusskontakt für die benachbarte mittlere Schicht angebracht ist.
Erfindungsgemäss ist der Anschlussleiter der äusseren Schicht als Hohlzylinder ausgebildet, in welchem ein vorzugsweise flexibler Hohlleiter befestigt ist. Femer ist dieser Hohlleiter mit einem Gehäuseoberteil verbunden, welcher von einem Gehäuseunterteil elektrisch isoliert ist. Der Anschlusskontakt für die benachbarte mittlere Schicht ist durch den Hohlleiter und den Gehäuseoberteil isoliert hindurchgeführt.
Ein solcher Aufbau der Halbleiterzelle bringt den Vorteil, dass der Leitungsanschluss für die stromführende Hauptelektrode nahezu beliebig gross ausgeführt werden kann, und dass die vakuumdichte Durchführung der Leitungsanschlüsse für die stromführende Hauptelektrode und für den Anschlusskontakt der benachbarten mittleren Schicht, welche in der folgenden Beschreibung als Zündelektrode der Anordnung bezeichnet ist, in gleichen Arbeitsgängen durch ein verhältnismässig einfaches Quetschverfahren hergestellt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Vierschicht-Halbleiterelement, das bei der Herstellung einer Halbleiterzelle nach der Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann. Der Aufbau einer solchen Halbleiterzelle ist aus Eig. 2 zu ersehen. Fig. 3 zeigt Einzelteile der Fig. 2 im fertigen Zustand.
Bei dem Halbleiterelement nach Fig. l ist eine Halbleiterscheibe 2, die beispielsweise aus einkristal- linem n-leitendem Silicium besteht und eine Dicke von etwa 250 u haben kann, durch Eindiffundieren eines p-dotierenden Stoffes, beispielsweise Aluminium, mit einer p-leitenden Oberflächenschicht 3 von beispielsweise etwa 60 u Tiefe versehen. Die Schicht 3 kann z. B. durch Erhitzen auf etwa 12000C über 40 Stunden in einem evakuierten Quarzgefäss unter Anwesenheit von Aluminium hergestellt werden. In die so vorbereitete Halbleiterscheibe ist auf der oberen Flachseite ein ringförmiger Graben eingeätzt oder
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so dass von dieser Schicht 3 eine kreisscheibenförmige Schicht 4 abgetrennt ist.
In die p-leitende Schicht 4 ist als stromführende Hauptelektrode eine ringscheibenförmige, zirka 0, 5% Antimon enthaltende Goldfolie 5 einlegiert, welche bei der Abkühlung eine ihr vorgelagerte n-leitende Zone 6 und somit einen pn-Übergang geschaffen hat, der in der Figur gestrichelt dargestellt ist. In einer Bohrung im Zentrum der stromführenden Hauptelektrode 5 ist eine scheibenförmige Zündelektrode 7, beispielsweise aus einer zirka 0, 05% Bor enthaltenden Goldfolie einlegiert, welche die p-leitende Schicht 4 sperrfrei kontaktiert.
Die auf der gegenüberliegenden Flachseite des Halbleiterkörpers befindliche p-leitende Schicht 3 ist durch Einlegieren einer Elektrode 10 mit gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung wie die Zündelektrode 7 ebenfalls sperrfrei kontaktiert. Die aus zirka 30 - 50 Su dicken Goldfolien hergestellten Elektroden 5, 7 und 10 können zweckmässig im gleichen Arbeitsgang bei zirka 7000C einlegiert werden. Die zur Führung des Hauptstromes vorgesehenen Elektroden 5 und 10 kontaktieren die äusseren Schichten 6 bzw. 3 der Vierschicht-Halbleiteranordnung mit der Schichtenfolge npnp.
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Nach Fig. 2 ist ein fertiges Halbleiterelement 11, das beispielsweise den gleichen Aufbau wie das in Fig. 1 dargestellte Element haben kann und von dem der Einfachheit halber nur die äusseren Konturen dargestellt sind, bei zirka 400 - 5000C auf eine Molybdänplatte 12 aufgelötet, die zur besseren Haftung zweckmässig galvanisch mit einer Gold-oder Silberauflage 13 versehen sein kann und auf einem Gehäuse- boden 14 befestigt, beispielsweise bei zirka 8000C aufgelötet ist. Der Gehäuseboden 14 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer. Im gleichen Arbeitsgang mit der Befestigung des
Halbleiterkörpers auf der Molybdänplatte 12 oder in einem getrennten Arbeitsgang ist auf der oberen
Flachseite mit der Hauptelektrode 5 und der Zündelektrode 7 je ein Anschlussleiter vereinigt.
Der An- schlussleiter der Hauptelektrode 5 weist die Form einer Krone auf und besteht aus einem Hohlzylinder 15, dessen Mantel am unteren Ende auf einer Länge von zirka 2 bis 4 mm bis auf eine Dicke von zirka 0, 2 bis 0, 4 mm abgedreht ist. Der verbliebene Teil der dünnen Zylinderwand ist mit mehreren, beispiels- weise 6, Schlitzen von beispielsweise 0, 5 mm Breite versehen, die in Achsrichtung des Zylinders verlaufen und vorteilhaft gleichmässig auf dem Umfang verteilt sein können Die stehengebliebenen Teile der Zylinderwand bilden infolgedessen nachgiebige Zungen. Die Krone kann vorteilhaft aus einem elektrisch gut leitenden Ma- terial bestehen, dessen Schmelzpunkt wesentlich höher ist als die eutektische Temperatur des Elektrodenmate- rials und von dem beim Aufschmelzen des Elektrodenmaterials nur ein geringer Teil gelöst wird.
In Verbindung mit einem Silicium-Halbleiterkörper und einer goldhaltigenLegierungselektrodehatsich beispielsweise Sil- ber, das zur besseren Benetzung noch vergoldet sein kann, für die Herstellung der Krone als geeignet er- wiesen. In die obere Öffnung des Hohlzylinders 15 ist ein Ende eines Hohlleiters 16 aus Kupfer eingesetzt, der aus einem mittleren flexiblen Leiterteil und zwei massiven Enden besteht. Der Hohlleiter 16 kann zweckmässig aus einem hohlzylindrischen Leitergeflecht, vorzugsweise aus Kupfer, dadurch hergestellt sein, dass in beide Leiterenden je ein Rohrstück 16a und 16b mit einer lichten Weite von zirka 2 - 4 mm aus einem druckfesten. Werkstoff, beispielsweise Stahl, eingeschoben wird und die Enden anschliessend durch äusseren mechanischen Druck zusammengepresst werden.
Die Rohre können anschliessend aus den
Leiterenden herausgezogen werden oder in den Enden bleiben. Der an die Zündelektrode angeschlossene Leiter 17, welcher vorteilhaft die Form eines Bandes mit einem geringen Querschnitt haben und bei- spielsweise aus Silber bestehen kann, istdurch den Hohlleiter 16 geführt und gegen diesen durch ein aufgeschobenes Röhrchen 18 aus einem hochtemperaturbeständigen, elastischen Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen (Teflon), isoliert. Durch gleichmässigen äusseren Druck auf den Umfang der Krone 15 wird das untere Ende des Leiters 16 zusammengequetscht und eine elektrisch gut leitende Verbindung geschaffen.
Das obere Ende des Leiters 16 ragt in ein rohrförmiges Anschlussstück 19, welches zum äusseren Anschluss eines Leiters für die Hauptelektrode 5 dient und aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, besteht. Das Anschlussstück 19 ist mit einer Gehäusekappe 20 verbunden, beispielsweise hart verlötet, welche mit einem zylindrischen Isolierkörper 21, beispielsweise aus Keramik sowie einem hohlzylindrischen und im oberen Teil verjüngten Verbindungsstück 22 und dem Boden 14 das Gehäuse der Halbleiterzelle bildet. Das obere Ende des Leiters 17 ist durch eine Durchführung 23 gezogen und an deren oberen Ende mit dieser gasdicht verlötet, beispielsweise verschweisst.
Die Durchführung 23 ist in einem hohlzylindrischen Isolierkörper 24, der beispielsweise aus Keramik bestehen kann, angeordnet und über diesen und ein ringförmiges Verbindungsstück 25 mit U-Profil mit dem Anschlussteil 19 verbunden. Die Gehäuseteile 19 - 22 sowie die aus den Rohren 23 und 24 bestehende Durchführung und das Verbindungsstück 25 können vorteilhaft vorgefertigt, beispielsweise in einem Arbeitsgang miteinander hart verlötet werden. Zu diesem Zweck kann für die Gehäuseteile 20, 22, 23 und 25 zweckmässig ein Material verwendet werden, das mit den Keramikkörpern 21 und 24 verhältnismässig einfach verbunden werden kann.
Diese Eigenschaft weist beispielsweise eine im wesentlichen aus 54% Eisen, 28% Nickel und 18% Kobalt bestehende Legierung (Vacon) auf. Der fertige Gehäuseoberteil ist in eine Kerbe des Gehäusebodens eingesetzt und das Zwischenstück 22 mit dem Gehäuseboden 14 verlötet, verschweisst oder durch Kaltverformung des Gehäusebodens, z. B. durch Umbördelung der Gehäusekante', gasdicht verbunden. Zu diesem Zweck kann das Zwischenstück 22 an seinem unteren Ende vorteilhaft mit einem Rand versehen werden. Durch mechanischen Druck auf den Umfang des Anschlussteiles 19 wird ähnlich wie bei der Verbindung der Krone 15 mit dem Leiter 16 verhältnismässig einfach eine mechanisch feste und elektrisch gut leitende Verbindung mit dem Leiter 16 hergestellt.
Dazu kann zweckmässig eine Anordnung von beispiels-
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Halbleiterzelle auf einem Kühlblock.
Bei der Herstellung der Quetschverbindung zwischen dem Leiter 16 einerseits und den Anschlusstei-
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len 15 und 19 anderseits kann der Anpressdruck ohne weiteres so gross gewählt werden, dass der Anschluss- leiter 17 der Zündelektrode 7 mit dem Isolierrohr 18 von den beiden Enden des Leiters 16 eingeschlossen wird, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Ein hoher Anpressdruck von beispielsweise zirka einigen to/cm ist vorteilhaft, damit ein elektrisch gut leitender Kontakt erzielt wird. Die Kraftrichtung des Anpressdruckes ist durch Pfeile gekennzeichnet. Der Anschlussleiter 17 wird vorteilhaft etwas gestaucht, so dass er annähernd Mäanderform annimmt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei Wärmedehnungen in Achs- richtung des Leiters 16 und bei Verformung des Gehäuses keine Zugspannungen im Leiter 17 entstehen kön- nen und keine Kräfte an den Verbindungsstellen des Leiters 17 mit der Zündelektrode 7 einerseits und der
Durchführung 23 anderseits auftreten können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiterzelle mit einer in einem Gehäuse gasdicht gekapselten Halbleiteranordnung mit vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp (npnp), deren Fläche gross ist im
Verhältnis zu ihrer Dicke, und von denen eine äussere Schicht mit einer ringförmig ausgebildeten Legierungselektrode versehen ist, in deren Bohrung ein Anschlusskontakt für die benachbarte mittlere Schicht angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Anschlussleiter für die Legierungselektrode (5) ein Hohlzylinder (15) vorgesehen ist, in welchem ein Hohlleiter (16) befestigt ist, dass ferner dieser Hohlleiter (16) mit einem Gehäuseoberteil (20) verbunden ist, welcher von einem Gehäuseunterteil (22) elektrisch isoliert ist, und dass ein am Anschlusskontakt (7) der mittleren Schicht befestigter Leiter (17) durch den Hohlleiter (16)
und den Gehäuseoberteil (20) isoliert hindurchgeführt ist.