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Nichtlineares Zweipol-Widerstandselement
Die Erfindung bezieht sich aufWiderstandselemente und betrifft insbesondere eine Halbleitereinrichtung mit einem PN-Übergang, die als passiver, nichtlineares Schaltelement verwendbar ist.
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wandtschaft mit den Feldeffekt-Transistoren und im Hinblick darauf, dass sie eine nichtlineare Kennlinie haben, sollen die erfindungsgemässen Schaltelemente nachfolgend"Feldeffekt-Varistoren"bezeichnet werden.
Im wesentlichen besteht ein Feldeffekt-Varistor aus einem Halbleiterkörper, etwa aus Germanium oder Silizium, der einen vorzugsweise ebenflächigen PN-Übergang aufweist und nur zwei Klemmen hat, die beide auf der gleichen Seite dieses Überganges liegen. Demnach unterscheidet sich der Feldeffekt- Varistor von jenen Halbleitereinrichtungen für die Signalumsetzung, bei welchen der Strom den PN-Über- gang durchsetzt, dadurch wesentlich, dass der Stromweg im wesentlichen parallel zu diesem Übergang ver- läuft. Ferner ist zu beachten, dass sich der Feldeffekt-Varistor sowohl in baulicher Hinsicht als auch funk- tionell von den bekannten Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen noch dadurch unterscheidet, dass keine Elektrode für das Anlegen einer Steuer- oder Öffnungsspannung vorgesehen ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Widerstandselement zu schaffen, u. zw. insbesondere ein stabiles Widerstandselement mit einer neuartigen Kennlinie, die fur verschiedene elektrische Schaltkreise verwertbar ist.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildetes nichtlinearesZweipol-Widerstandselement umfasst einenHalb- leiterkörper, der eine erste Region einer bestimmten Leitfähigkeitstype und eine zweite Region entgegengesetzter Leitfähigkeitstype aufweist, so dass diese beiden Regionen zwischeneinander einen PN-Übergang bilden ; an einem Teil zumindest der ersten Region ist ein erster Anschluss niedrigen Widerstandes vorgesehen, während ein zweiter Anschluss niedrigen Widerstandes jedenfalls nur mit einem Teil der ersten Region, u. zw. mit Abstand vom ersten Anschluss, Kontakt herstellt ; die erste Region hat dabei eine Stelle verminderten Querschnitts, die zwischen den erwähnten beiden Anschlüssen liegt.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird eine Siliziumscheibe verwendet, in der ein im wesentlichen ebenflächiger PN-Übergang vorhanden ist. An gegenüberliegenden Enden der Region der Leitfähigkeitstype P sind zwei im wesentlichen ohmische Elektroden vorgesehen, die als Quellen- bzw.
Senkenelektroden bezeichnet seien. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind also beide Elektroden auf die Region der Leitfähigkeitstype Pbeschränkt und die Einrichtung zeigt deshalb eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Verlauf der folgenden Beschreibung wird diese symmetrische Einheit auch als"nicht- polar" bezeichnet. Zur Erzielung einer unsymmetrischen Arbeitsweise kann die Quellenelektrode so angeordnet werden, dass sie sowohl mit der Region der N-Type als auch mit der Region der P-Type Kontakt herstellt ; eine solche Einheit sei als"polar"bezeichnet.
In der P-Region der Scheibe befindet sich zwischen den Quellen- und Senkenelektroden eine Rille oder Einschnürung, die eine scharf ausgeprägte Verminderung des Querschnittes der P-Region zur Folge hat. Dadurch wird der Stromfluss von der einen Elektrode zur andern längs eines Teiles des Stromweges auf eine dünne, dem PN-Übergang benachbarte Zone beschränkt. Die Strom-Spannungs-KeIÎÍ11inie der
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die Ausbildung einerRaumladungsregion in demdemPN-Übergang benachbarten Bereich beeinflusst. Demnach zeigt die Einrichtung bei zunehmender Spannung einen Stromanstieg, bis die Raumladungsregion die Rille oder Einbuchtung in der Scheibe erreicht.
Von diesem Zustand an hat eine weitere Zunahme der Spannung eine Vergrösserung der Raumladungsregion in jenem Teil des Halbleiterkörpers zur Folge, der neben der Rille oder Einbuchtung liegt und sich zur Senkenelektrode hin erstreckt, wogegen jener Teil der Raumladungsregion, der in Richtung zur Quellenelektrode verläuft, im wesentlichen unverändert bleibt. Die Grenzzone zwischen diesem letzten Teil der Raumladungsregion und der Rille oder Einbuchtung bildet einen eingeschnürten Stromkanal, über dessen Länge der Spannungsabfall im wesentlichen konstant bleibt.
Die Zunahme der. angelegten Spannung wird daher fast zur Gänze in dem vergrösserten Teil der Raumladungsregion absorbiert, so dass der Strom im wesentlichen konstant bleibt, bis eine Spannung erreicht wird, bei welcher ein nicht destruktiver Durchschlag auftritt und der Strom plötzlich stark ansteigt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung stellt somit ein als Widerstand verwendbares Halbleiterelement mit einem PN-Übergang und nur zwei Elektroden dar, die sich beide auf der gleichen Seite des Überganges befinden, wobei ein zwischen den beiden Elektroden in der den beiden Elektroden gemeinsamen Region befindlicher Teil des Halbleiterkörpers verminderten Querschnitt hat. Diese Einrichtung hat eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie, die zwei getrennte und für sich auswertbare Kennlinienteile aufweist. In dem einen Kennlinienteil ist die Beziehung zwischen Strom und Spannung ähnlich wie bei einem ohm'schen Widerstand, weicht aber hievon durch einen nichtlinearen Verlauf ab. Im zweiten Kennlinienteil ist der Strom innerhalb eines weiten Bereiches der angelegten Spannungen im wesentlichen konstant.
Die geschilderte Erfindung und weitere Merkmale derselben sollen nunmehr unter Bezugnahme auf
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und teilweise aufgebrochen eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Halbleitereinrichtung. Fig. 18 ist ein Querschnitt durch die Einrichtung nach Fig. l. Fig. 2 stellt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Einrichtung nach Fig. l dar. Die Fig. 3A, aB und 3C sind in grösserem Massstab gehaltene Teilschnitte durch die Einrichtung nach Fig. l, die drei verschiedene Betriebszustände erläutern. Fig. 4ist ein Querschnitt durch eine andere Ausfübrungsform der Erfindung. Fig. 5 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Einrichtung nach Fig. 4. Die Fig. 6, 7 und 9 veranschaulichen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen, Einrichtung-.
Die in den Fig. l und IB dargestellte Halbleitereinrichtung gemäss der Erfindung besteht aus einer Scheibe 10 aus halbleitendem Material, beispielsweise aus einkristalligem Silizium, mit einer P-Region 11 und einer N-Region 13, die zwischeneinander einen PN-Übergang 12 bilden. In der P-Region 11 ist eine in sich geschlossene Rille oder Mulde 17 ausgebildet. Durch Goldplattierungen 16 und 18 an der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird die Anbringung einer Quellenelektrode 14 und einer Senkenelektrode 15 er- möglicht. Zur Verdeutlichung der Darstellungen ist die Dickendimension der Scheibe übertrieben worden.
Die Scheibe 10 nach Fig. 1 kann beispielsweise quadratisch sein und eine Seitenlänge von 2, 3 mm bei
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Derin die Leitfähigkeitstype P umgewandelt, so dass innerhalb der Scheibe der PN-Übergang 12 auftritt.
Diese Umwandlung kann durch verschiedene Diffusionsvorgänge bewirkt werden, beispielsweise nach dem in der USA-Patentschrift Nr. 2, 802, 760 beschriebenen Verfahren. So kann etwa die von einem Einkristall aus Silizium der N-Type mit einer Dicke von 0, 5 mm ausgeschnittene Scheibe in einen geschlos- senenbehälter eingebracht und während 24Stunden bei einer Temperatur von 1275 C einer Strömung von 30rpentoxyd in einem Trägergas ausgesetzt werden. Durch diese Behandlung entsteht an den beiden Hauptflächen der Scheibe eine 0, 05 mm dicke Schicht der Leitfähigkeitstype P. Nach der Entnahme der Scheibe aus dem Behälter wird die Schicht der P-Type auf einer Seite durch mechanisches Läppen oder durch Ätzen entfernt. Sodann wird die Scheibe auf die bereits angegebenen Dimensionen zugeschnitten.
Die Scheibe besteht sodann aus einer Region 11 der P-Type und aus einer dickeren Region 13 der ursprüngli- : hen N-Type, wie dies in Fig. l dargestellt ist.
Die Scheibe 10 wird sodann gereinigt und an ihrer gesamten Oberfläche mit einer sehr dünnen Goldplattierung versehen. Dieser Plattierungsvorgang kann entweder durch eine Elektroplattlerung bekannter Art oder auch durch nichtelektrische Plattierungsmethoden erzielt werden.
Sodann wird auf der der P-Type angehörenden Stirnseite der Scheibe die Rille 17 hergestellt. Ein vorteilhaftes verfahren zur Herstellung dieser Rille 17 besteht in der Anwendung von Ultraschallschnitten, welche die Goldplattierung und auch einen Teil des darunter befindlichen Siliziums durchsetzen. Das restliche Material wird sodann durch die Anwendung geeigneter Ätzmittel, wie z. B. einer verdünnten Lörung von Fluorwasserstoffsäure, welche zwar Silizium, nicht aber Gold angreift, entfernt.
Anderseits kann lie teilweise Entfernung der Goldplattierung an der Stirnfläche der P-Type auch durch Abdeckung der ge-
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samten Fläche mit Ausnahme des zu entfernenden Teiles mit einem geeigneten Wachs und Behandlung der so markierten Scheibe mit Königswasser bis zur Entfernung des freiliegenden Teiles der Goldplattlerung bewirkt werden. Hierauf wird die Wachsmaske entfernt und die Einätzung der Rille 17 in gleicher
Weise wie beim vorher beschriebenen Verfahren vorgenommen. Im allgemeinen hat die Rille eine Breite von 0, 1 mm und eine Umfangslänge von etwa 6 mm an der Aussenseite. Vorteilhaft soll die Rille eine
Tiefe von etwa 0, 048 mm haben, so dass sich ihre Bodenfläche bis auf etwa 0, 002 mm dem PN-Übergang in der Scheibe nähert, diesen aber nicht erreicht.
Schliesslich werden die Elektroden 14 und 15 an der Goldplattierung angebracht. Die Quellenelektro- de 14 wird an der Plattierung 16 befestigt, welche beide Regionen der N- und der P-Type einhallt. Die
Senkenelektrode 15 wird auf der mittleren goldplattierten Fläche 18 angebracht, welche auf die Region der P-Type beschränkt ist.
Wie schon kurz erwähnt worden ist, zeigt die erfindungsgemässe Einrichtung in der Strom-Spannungs-
Kennlinie drei verschiedene Arbeitsbereiche. Diese Bereiche sind Im Diagramm nach Fig. 2 als unstabil- sierter Anfangsbereich I, als stabilisierter Bereich (Abkappbereich) II und a1s Durchbrucbbereich m be- zeichnet. Die mit V p und Vb bezeichneten Abszissen geben die Stab1Usierungs- bzw. die Durchbruchspannung an.
Nunmehr soll unter Bezugnahme auf die Fig. 3A, 3B und 3C die Arbeitsweise dieser Einrichtung genauer erläutert werden. Jede dieser Figuren stellt einen Querschnitt durch einen Teil der Halbleitereinrichtung nach Fig. 1 dar, in dem auch die Rille 17 erkennbar ist. Wie schon kurz erwähnt worden ist, hängt die Arbeitsweise dieser Einrichtung wesentlich von der Geometrie des eingeschnürten Kanals 20 ab, der in dieser Einrichtung zwischen dem Boden der Rille und dem nächstliegenden Teil des PN-Überganges 12 gebildet und durch eine Raumladungs- oder Entleerungsregion beeinflusst wird. In den Fig. 3A, 3B und 3C ist diese Region durch die schraffierten Teile 21 angedeutet worden.
Wie dies für Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen bekannt ist, bewirkt der Stromfluss von links nach rechts durch das Material der P-Type, d. h. von der Quellenelektrode zur Senkenelektrode hin, infolge des Widerstandes des Halbleitermaterials einen Spannungsabfall. Bei der dargestellten Einrichtung bedeutet dies, dass das Potantial von links nach rechts immer negativer wird. Da die Regionen derP-undN-Type bei der Quellenelektrode miteinander verbunden sind, tritt am PN-Übergang eine von links nach rechts zunehmende Potentialdifferenz auf. Die Entleerungsregion 21, aus der durch diese Vorspannung bewegliche Ladungsträger entnommen werden, ist hinsichtlich ihrer Dicke proportional der Vorspannung am PN- Übergang und sie wird daher in Richtung zu der in der Mitte angeordneten Senkenelektrode immer dicker.
Es versteht sich, dass die Stromleitung innerhalb der Entleerungsregion nur mit grösster Schwierigkeit erfolgt, weil darin nur wenige bewegliche Ladungstrager enthalten sind. Demnach steuert die Ausdehnung der Entleerungsregion den Querschnitt des Stromweges 20 innerhalb der Region 22 der P-Type.
In FIg. 3A, wo der Zustand dargestellt ist, der Im unstabilisierten Anfangsbereich der Einrichtung vorliegt, erstreckt sich die Entleerungsregion 21 über etwas mehr als die Hälfte der Breite des Kanals zwischen dem PN-Übergang 12 und dem Boden der Rille 17. Die Entleerungsregion auf der Seite des Materials der N-Type wird sehr dünn sein, wenn das Material eine starke Konzentration von Donator atomen enthält. Demnach tritt vor dem Stabilisierungsbereich zun1 ! chst ein Stromanstieg wie bei einem ohm'sehen Widerstand auf, der aber dann mit Annäherung an die Stabilisierungsspannung V abnimmt, wie dies im Bereich I des Diagramms dargestellt ist.
In Fig. 3B ist die Ausdehnung der Entleerungsregion bei der Stabilisierungsspannung Vb dargestellt.
Man erkennt, dass diese Region gerade den Boden der Rille 17 tangiert, so dass der Strom bei weiterem Anstieg der Spannung offensichtlich zumindest einen Teil der Entleerungsregion durchsetzen muss. Unter den in den Fig. 3B und SC dargestellten Bedingungen wächst bei Zuwachs der angelegten Spannung vor allem die Entleerungsregion an, wogegen nur ein sehr geringer Anstieg des über die Einrichtung übertragenen Stromes stattfindet. Demnach hat die Einrichtung einen im Diagramm nach Fig. 2 mit n bezeichneten Arbeitsbereich, in dem die Stromkennlinie innerhalb eines weiten Spannungsbereiches linear und nahezu horizontal verläuft. Bei einer typischen Ausführungsform der Einrichtung mit einem Aufbau gemäss Fig. l
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transistoren der in der USA-Patentschrift Nr. 2, 790, 034 beschriebenen Art auftritt.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit den Fig. 1, 2 und 3 unter Bezugnahme auf polare und nichtsymmetrische Bauformen erläutert worden, bei welchen die Quellenelektrode den Regionen beider Leitfähigkeitstypen gemeinsam Ist, kann aber auch in einer nichtpolaren oder symmetrischen Bauform verwirklicht werden, bei welcher die Quellenelektrode ebenso wie die Senkenelektrode nur einer Region
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findung ist in Fig. 4 dargestellt ; sie weist ähnlich wie die Einrichtung nach Fig. l beispielsweise eine Scheibe 40 aus einkristalligem Silizium mit einer Seitenlänge von 2, 3 mm auf. Bei der Einrichtung nach Fig. 4 verläuft die Rille 41 quer über eine Stirnfläche der Scheibe und die Quellen-und Senkenelektroden 42 und sind auf gegenüberliegenden Seiten dieser Rille an der Region der P-Type angebracht.
Die Arbeitswei- se der Einrichtung nach Fig. 4 ist ähnlich jener der polaren Ausführung nach Fig. 1, soweit es sich um die Ausbildung der Raumladungs-oder Entleerungsregion handelt. Da die Quellenelektrode aber im vorliegenden Falle nicht beiden Regionen des Halbleiterkörpers gemeinsam ist, wird ein kleiner Teil des PN-Überganges, welcher der Quellenelektrode am nächsten liegt, in Durchlassrichtung vorgespannt und es erfolgt daher über diesen Teil eine gewisse Injektion von Mehrheitsträgern. Der in Durchlassrichtung vorgespannte
Teil des PN-Überganges führt einen Strom, der genau gleich dem über den restlichen, in Sperrichtung vorgespannten Teil des PN-Überganges fliessenden Strom ist.
Der Hauptvorteil des symmetrischen FeldeffektVaristors liegt darin, dass er mit beliebiger Polung der angelegten Spannung betrieben werden kann. Wie das Diagramm nach Fig. 5 zeigt, hat die Einrichtung nach Fig. 4 in den beiden Vorspannungsrichtungen Kennlinien, die zueinander spiegelbildlich liegen. Die Punkte Vp und i V. haben die gleicheBedeutung wie bei dem Diagramm nach Fig. 2.
Fig. 6 stellt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung dar, beider aktive PN-Übergänge als Grenzflächen für eingeschnürte Stromkanäle dienen.
An der oberen Stirnfläche der Scheibe 60 bilden die im Querschnitt gezeichneten Regionen 61 und 62 eine in sich geschlossene, rechteckige Leitfähigkeitsschichte der N-Type. Diese Schicht der N-Type nimmt im wesentlichen das Volumen der Rille 1 t in Fig. 1 ein. Die weitere Region 63 der N-Type befindet sich auf der gegenüberliegenden Stirnfläche der Scheibe. Die Quellenelektrode 64 ist an einer plattierten Oberfläche 68 der P-Region 66 angebracht. Die Senkenelektrode 65 ist an dem zentralen, plattierten Oberflächenteil 67 dieser Region befestigt.
Die Einrichtung nach Fig. 6 kann aus einer Scheibe der Leitfähigkeitstype P hergestellt werden, deren Abmessungen mit jenen der Scheibe nach Fig. l vergleichbar sind ; die Leitfähigkeitsregionen der N-Type werden gemäss bekannten Verfahren durch partielle Abdeckung und anschliessende Diffusion geeigneter Donatorverunreinigungen hergestellt. Bei einer typischen Ausführung liegt die Dicke der beschränkten Stromkanäle 71 und 72, welche die einander gegenüberliegenden Leitfähigkeitszonen der N-Type trennen, in der Grössenordnung von etwa 0, 005 mm.
Es ist zu beachten, dass die Einrichtung nach Fig. 6 einen nichtpolaren oder symmetrischen Aufbau hat, bei dem die Quellenelektrode 64 nur die Leitfähigkeitsregion 66 der P-Type berührt. Die Ausdehnung der Entleerungsregionen knapp vor dem Stabilisierungspunkt wird durch die schraffierten Flächen 70 angedeutet, die sich von den PN-Übergängen in die Region 66 der P-Type und in Richtung zur Senkenelektrode 65 erstrecken. Es werden daher die beiden Kanäle 71 und 72 durch zwei PN-Übergänge statt nur durch einen PN-Übergang und eine freie Oberfläche wie im Falle der Ausführungsform nach den Fig. l und 4 begrenzt. Die an Hand von Fig. 6 erläuterte Bauform mit zwei PN-Übergängen ist hinsichtlich der Betriebsstabilität der Einrichtung am günstigsten.
Weil nämlich die Stromkanäle beiderseits durch aktive PN-Übergänge begrenzt sind, liegen sie innerhalb der Einrichtung und stehen daher nicht unter dem Einfluss allfälliger Inversionsschichten, die sich an der Halbleiteroberfläche infolge von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit ausbilden können. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. l und 4 ist es beispielsweise gewöhnlich erforderlich, Massnahmen zur Verhinderung eines störenden Einflusses der Umgebungsbedingungen auf jene Oberfläche, an der sich die Rille befindet, anzuwenden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich besonders für die Herstellung nach bekannten Diffusionsverfahren eignet. Beispielsweise kann die Einrichtung 80 nach Fig. 7 aus einer Siliziumscheibe der Leitfähigkeitstype N hergestellt werden, indem an deren Randteilen eine Abdeckmaske angebracht wird, so dass dort eine Diffusion verhindert oder erschwert wird, worauf die Scheibe einem Gasdiffusionsverfahren unterworfen wird, um an den gegenüberliegenden Stirnflächen der Scheibe die Schichten 81 und 82 der P-Type zu erzeugen ; hieran kann sich ein kürzerer Diffusionsvorgang anschlie- ssen, um rings um den Umfang sehr dünne P-Schichten 83 und 84 herzustellen.
Diese Diffusion am Umfang kann anderseits auch während der primären Diffusion erfolgen, wenn am Umfang statt einer absolut wirksamen Abdeckung nur eine diffusionserschwerende Abdeckung vorgesehen wird. Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist nichtpolar, da ihre Elektroden 86 und 87 auf die Region der P-Type beschränkt sind.
Es ist erkennbar, dass eine der günstigsten Arbeitsweisen der Einrichtung im Stabilisierungsbereich zwischen V bis Vb vorliegt. Aus Fig. 8 ist erkennbar, dass der stabilisierte Strom direkt von der Breite Z des Kanals und reziprok von der Länge L desselben abhängt, wogegen die Stabilisierungsspannung von
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diesen Parametern unabhängig ist. Es ist daher wichtig, die Kanalbreite im Vergleich zur Kanallänge gross auszuführen, um ein hohes Verhältnis von stabilisiertem Strom zu Spannung zu erzielen.
Eine Ausführungsform, welche eine Möglichkeit zur Vergrösserung dieses Verhältnisses erläutert, ist
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me, dass die Rille 93 kammförmig verläuft. Bei dieser Anordnung stellt die Gesamtlänge der gewundenen Rille 93 die Breite Z des Kanals dar und nimmt daher bei der vorgegebenen Fläche praktisch einen Maximalwert an. Die Einrichtung nach Fig. 9 kann in einfacher weise durch Abdeckung und Diffusion nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei im Ausgangsmaterial 91 der N-Type eine Schicht 92 der P-Type entsteht. Die Quellen- und Senkenelektroden 95 bzw. 94 werden an Oberflächenplattierun- gen 9 6 befestigt.
Die beschriebenen Beispiele erschöpfen die Ausführungsm6g1ichkeiten der Erfindung nicht. Beispielsweise können die geometrischen Verhältnisse und die äussere Gestalt der Halbleiterelemente und der Elektroden variiert werden. Ferner ist bei den speziell beschriebenen Ausführungsformen stets ein Stromkanal in einem Material der Leitfähigkeitstype P angenommen worden, während praktisch ein solcher Stromkanal auch in einem Material der Leitfähigkeitstype N möglich ist, wobei dann bloss die Polaritäten der polaren oder unsymmetrischen Ausführung der Einrichtung umgekehrt werden müssen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Nichtlineares Zweipol-Widerstandselement mit einem Halbleiterkörper, der eine erste Region be- stimmter Leitfähigkeitstype und eine zweite Region entgegengesetzter Leitfähigkeitstype aufweist, die zwischen einander einen PN-Übergang bilden, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Teil zumindest der ersten Region ein erster Anschluss niedrigen Widerstandes an diesem Halbleiterkörper vorgesehen ist, wäh- rend ein zweiter Anschluss niedrigen Widerstandes nur an einem Teil der ersten Region und im Abstand von dem ersten Anschluss angeordnet ist, und dass die erste Region zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen Teil verminderten Querschnitts aufweist.