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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Halbleiterkeramik und insbesondere ein keramisches
Halbleiterelement, die jeweils einen positiven Temperaturgang ihres
Widerstandes haben. Diese Erfindung betrifft auch ein unter Verwendung
des keramischen Halbleiterelements gebildetes Schaltungsschutzelement.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
gibt bereits Halbleiterelemente einer Art, die zum Schutz einer
elektrischen Schaltung gegen Überstrom
oder gegen Beschädigungen
oder als Entmagnetisierungselemente für Farbfernsehempfänger verwendet
worden sind. Ein derartiges Halbleiterelement weist auf einem Halbleiterkeramikkörper, der
einen positiven Temperaturgang seines Widerstandes hat (was nachstehend
als PTC-Temperaturgang
bezeichnet wird), gebildete Elektroden auf. Ein derartiger positiver
Temperaturgang des Widerstandes gibt an, dass sich der Widerstand
plötzlich
vergrößert, wenn
die Temperatur den Curie-Punkt überschreitet.
Zur Bildung eines solchen Halbleiterelements wurde Bariumtitanat-Keramik
vorgeschlagen, deren spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur
verhältnismäßig klein
und deren Widerstandstemperaturkoeffizient verhältnismäßig groß ist.
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Jedoch
wird ein Bariumtitanat-Halbleiterkeramikmaterial benötigt, das
einen verbesserten Temperaturgang seines Widerstandes hat. Außerdem soll
die Bariumtitanat-Halbleiterkeramik bei Raumtemperatur einen geringeren
spezifischen Widerstand (nachstehend als spezifischer Widerstand
bei Raumtemperatur bezeichnet) und eine verbesserte Spannungsfestigkeit
aufweisen. Dementsprechend hat man viele Untersuchungen angestellt,
um diese Anforderungen zu erfüllen.
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Beispielsweise
beschreibt die
japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 3-54165 eine Bariumtitanat-Halbleiterkeramik, die als Hauptbestandteile
45 bis 87 Mol-% BaTiO
3, 3 bis 20 Mol-% PbTiO
3, 5 bis 20 Mol-% SrTiO
3,
5 bis 15 Mol-% CaTiO
3 und außerdem als
Additiv einen halbleitenden Stoff, der aus einer Gruppe gewählt ist,
die aus Sb, Bi, Nb, Ta und einigen Seltenerdelementen besteht, 0,2
bis 0,5 Mol-% Mn und 0 bis 0,45 Mol-% SiO
2 enthält. Mit
einer derartigen Zusammensetzung lässt sich der spezifische Widerstand
bei Raumtemperatur in einem Bereich von 3 bis 10 Ω·cm einstellen.
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Außerdem ist
in der
japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 3-88770 eine Halbleiterkeramik beschrieben, die als
Hauptbestandteile 45 bis 85 Mol-% BaTiO
3,
1 bis 20 Mol-% PbTiO
3, 1 bis 20 Mol-% SrTiO
3, 5 bis 20 Mol-% CaTiO
3 und
als Additive außerdem
0,1 bis 0,3 Mol-% eines halbleitenden Stoffs, 0,006 bis 0,025 Mol-%
Mn und 0,1 bis 1 Mol-% SiO
2 enthält. Mit
einer derartigen Zusammensetzung und durch Wahl der Teilchendurchmesser
des Gemischs lässt
sich dessen spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur innerhalb
eines Bereichs von 4 bis 8 Ω·cm einstellen,
und die Steigung des Temperaturgangs des Widerstandes kann bei 9%/°C oder darüber gehalten
werden.
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Darüber hinaus
lehrt die
japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 9-22801 , dass es möglich
ist die Spannungsfestigkeit der Halbleiterkeramik zu erhöhen, falls
der Prozentsatz eines transkristallinen Widerstandswerts vom Gesamtwiderstandswert,
der aus dem interkristallinen Widerstandswert und einem transkristallinen
Widerstandswert der Halbleiterkeramikkristallkörnchen besteht, zu 80% oder
größer eingestellt
wird.
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DE 690 09 628 T2 betrifft
eine Pulverzusammensetzung bzw. eine Halbleiterkeramik mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands, wobei die Einstellung
der Potierquelle bzw. deren molaren Verhältnisses sowie die verwendeten
Additive den spezifischen Widerstand und den Temperaturkoeffizienten
beeinflussen.
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Im
Hinblick auf Halbleiterkeramiken mit PTC-Charakteristik hat, obwohl
die Verbesserung des Widerstandstemperaturgangs zur Verringerung
des spezifischen Widerstands bei Raumtemperatur und Verbesserung
der Spannungsfestigkeit erwünscht
ist, der Markt auf dem Gebiet der Erfindung einen wachsenden Bedarf an
derartigen Halbleiterkeramikstoffen. Im Besonderen ist es für eine zur
Verwendung für
Schaltungsschutzelemente vorgesehene Halbleiterkeramik notwendig,
dass sie einen verringerten spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur
hat, um dadurch den elektrischen Stromverbrauch zu verringern.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterkeramik und ein keramisches
Halbleiterelement zu ermöglichen,
das bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von 3 Ω·cm oder
kleiner und dessen Widerstandstemperaturgang 9%/°C oder mehr hat.
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Die
obige Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst.
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Eine
mit einem ersten Aspekt dieser Erfindung übereinstimmende Halbleiterkeramik
hat einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten und ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis
R1/(R1 + R2) 0,35 bis 0,85 beträgt, wobei R1 ein
transkristalliner Widerstandwert der Kristallteilchen, R2 der interkristalline Widerstandswert der
Kristallteilchen und R1 + R2 der
Gesamtwiderstand ist, der eine Summe aus R1 und
R2 darstellt, wobei als Bestandteile der
Hauptkomponente BaTiO3, PbTiO3,
SrTiO3 und CaTiO3 enthalten
sind und in bestimmten Sollbereichen verwendet werden, so dass BaTiO3 30 bis 97 Mol-%, PbTiO3 1
bis 50 Mol-%, SrTiO3 1 bis 30 Mol-% und
CaTiO3 1 bis 25 Mol-% ausmachen (insgesamt
100 Mol-%).
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Durch
die Einstellung des obigen Verhältnisses
des transkristallinen Widerstandswerts zum Gesamtwiderstandswert
lässt sich
ein Keramikhalbleiterelement erzielen, dessen spezifischer Widerstand
bei Raumtemperatur 3 Ω·cm oder
weniger und dessen Widerstandstemperaturgang 9%/°C oder mehr beträgt.
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Außerdem ist
eine einem zweiten Aspekt der Erfindung entsprechende Halbleiterkeramik
dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallkörnchen als Hauptbestandteil
Bariumtitanat enthalten.
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In
dieser Weise lässt
sich durch Bildung der oben erwähnten
Zusammensetzung eine Halbleiterkeramik mit ausgezeichneten PTC-Eigenschaften
erzielen.
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Darüber hinaus
ist ein einem dritten Aspekt der Erfindung entsprechendes Keramikhalbleiterelement dadurch
gekennzeichnet, dass es dadurch gebildet ist, dass Elektroden auf
einem gemäß dem ersten
und zweiten Aspekt dieser Erfindung hergestellten Halbleiterkeramikkörper vorgesehen
sind.
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Außerdem ist
ein gemäß einem
vierten Aspekt dieser Erfindung hergestelltes Schaltungsschutzelement
bevorzugt durch die Verwendung eines keramischen Halbleiterelements
gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung gebildet. Diese Halbleiterkeramik gestattet
es, dass das keramische Halbleiterelement dieser Erfindung bei Raumtemperatur
einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine allgemeine perspektivische Ansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes keramisches
Halbleiterelement darstellt,
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2 ist
eine grafische Darstellung, die ein Beispiel angibt, bei dem verschiedene
Widerstandswerte mittels der komplexen Impedanz gemessen werden.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
erfindungsgemäße Halbleiterkeramik
ist so gebildet, dass das Verhältnis
R1/(R1 + R2) 0,35 bis 0,85 ist, worin R1 einen
transkristallinen Widerstandswert der Kristallteilchen, R2 einen interkristallinen Widerstandswert
der Kristallteilchen und R1 + R2 einen
Gesamtwiderstandswert als Summe von R1 und
R2 angibt.
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Obwohl
die Zusammensetzung der obigen Halbleiterkeramik nicht auf bestimmte
Bereiche beschränkt ist,
ist die Verwendung einer Halbleiterkeramik zu bevorzugen, deren
Hauptkomponente BaTiO3 enthält, da eine
derartige Zusammensetzung ausgezeichnete PTC-Kennwerte erzielen
kann. Andererseits können
neben dem Bestandteil BaTiO3 der Hauptkomponente
andere Substanzen enthalten sein, einschließlich PbTiO3, SrTiO3 und CaTiO3. Darüber hinaus
ist es zu bevorzugen, dass die obigen Hauptbestandteile in bestimmten Sollbereichen
verwendet sind, so dass BaTiO3 30 bis 97
Mol-%, PbTiO3 1 bis 50 Mol-%, SrTiO3 1 bis 30 Mol-%, CaTiO3 1
bis 25 Mol-% ausmachen (insgesamt 100 Mol-%).
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Zusätzlich kann
die Halbleiterkeramik neben den oben genannten Hauptkomponenten
einige Zusätze enthalten
einschließlich
eines halbleitenden Mittels, das eine Substanz ist, die aus einer
Gruppe gewählt
ist, die aus La, Sb, Nb, Y und einigen Seltenerdelementen besteht,
und kann auch einige oxidierende Mittel wie Si und Mn enthalten.
Jedoch ist als halbleitendes Mittel die Verwendung von Sm2O3 zu bevorzugen,
dessen spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur sich von Charge
zu Charge nur wenig unterscheidet und außerdem klein gehalten werden
kann.
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Der
oben genannte Gesamtwiderstand ist eine Summe eines transkristallinen
Widerstandswerts (R1) und eines interkristallinen
Widerstandswerts (R2). Das Verhältnis des
transkristallinen Widerstandswerts zum Gesamtwiderstand, das ist
die Summe aus dem transkristallinen Widerstandswerts und dem interkristallinen Widerstandswert,
ist R1/(R1 + R2).
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Nachstehend
wird die Halbleiterkeramik dieser Erfindung unter Bezug auf das
folgende Beispiel mehr im Einzelnen beschrieben.
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(Beispiel)
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Als
Ausgangsrohmaterialien, die als die Hauptkomponenten dienten, wurden
mehrere Substanzen derart abgewogen, dass BaCO3 60
Mol, PbO 10 Mol, SrCO3 15 Mol, CaCO3 15 Mol und TiO2 100
Mol ausmachten. Außerdem
wurden die zusätzlichen
Ausgangsrohmaterialien durch Abwiegen derart bestimmt, dass Sm2O3, das als halbleitendes
Mittel dient, 0,1 Mol, MnCO3 als Additiv
0,02 Mol und SiO2 als weiteres Additiv 1 Mol
ausmachten.
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Dann
wurden die obigen Rohmaterialien miteinander vermischt und 5 Stunden
lang mittels einer Kugelmühle
naß gemischt.
Danach wurden die so gemischten Rohmaterialien entwässert und
getrocknet, so dass sie eine feste Mischung bildeten.
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Die
erhaltene Mischung wurde 2 Stunden lang bei einer Temperatur von
1150°C vorgebrannt.
Danach wurde der Mischung ein Binder beigegeben und daraufhin einer
Körnungsbehandlung
unterworfen, um so vorbestimmte Granulatteilchen zu bilden. Danach
wurden die Granulatteilchen mit 15.000.000 kg/m2 gepresst,
so dass eine Anzahl kreisförmiger
Scheiben jeweils in einer Dicke von 4,0 mm und einem Durchmesser
von 9,0 mm hergestellt wurde. Die so hergestellten Kreisscheiben
wurden 1 Stunde lang bei 1350°C
gesintert. In diesem Moment wurden die Oxidationsbedingungen innerhalb
eines Temperaturbereichs von 1050°C
bis 1250°C verändert, so
dass das Verhältnis
des transkristallinen Widerstandswerts zum Gesamtwiderstandswert
die in Tabelle 1 angegebenen Werte annahm. Auf diese Weise ließ sich eine
Charge von gewünschten
Halbleiterkeramikkörpern
herstellen. Mit Oxidationsbedingung ist hier eine Sintertemperatur
und ein Sauerstoffpartialdruck gemeint. Jedoch können die obigen Zahlenwerte übereinstimmend
mit der Größe der gesinterten
Keramik und der Struktur eines Ofens für die Sinterbehandlung geeignet
gewählt
werden.
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Dann
wurden, wie in 1 gezeigt, zwei Hauptflächen des
Keramikhalbleiterkörpers 3 mit
einer In-Ga Elektrodenpaste beschichtet. In dieser Weise wurde in
der in der Zeichnung dargestellten Weise ein Oberflächenelektrodenpaar 5 gebildet
und so ein keramisches Halbleiterelement 1 hergestellt.
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Danach
wurden Messungen durchgeführt,
um den spezifischen Widerstand (ρ
25) bei Raumtemperatur und den Widerstandstemperaturkoeffizienten
(α) des
keramischen Halbleiterelements zu ermitteln. Die Halbleiterkeramik
wurde einer weiteren Messung unterworfen, um den transkristallinen
Widerstandswert (R
1), den interkristallinen
Widerstandswert (R
2) und den Gesamtwiderstandswert
(R
1 + R
2) der Kristallteilchen
zu messen. Der transkristalline Widerstandswert (R
1)
und der interkristalline Widerstandswert (R
2)
wurden allerdings durch die Methode der komplexen Impedanz gemessen.
Nachstehend wird dieses Messverfahren zur Messung des transkristallinen
Widerstandswerts und des interkristallinen Widerstandswerts mit
Hilfe der Methode der komplexen Inpedanz beschrieben. In der Praxis
wurde ein Impedanzanalysator verwendet und die Messung innerhalb
eines Frequenzbands von 100 MHz bis 30 MHz ausgeführt, wodurch
man die in
2 dargestellten Meßwerte erzielte.
Diese Meßwerte
wurden dann so wie dies in
2 gezeigt
ist durch eine Kreisbogenlinie verbunden um den transkristallinen
Widerstandswert und den Gesamtwiderstandswert zu ermitteln. Bei
dem Verfahren wurde bei der Aufzeichnung der Kurve der rechte Abschnitt
des Kreisbogens so gezeichnet, dass mit Sicherheit eine hohe Koinzidenz
der Meßpunkte
erreicht wird. Außerdem
wurde der linke Teil des Kreisbogens so gezeichnet, dass die Meßpunkte
dem rechten Abschnitt des Kreisbogens nicht entsprechen. Auf diese
Weise lässt
sich aus der in
2 dargestellten grafischen Darstellung
entnehmen, dass ein Punkt 0,84 Ω ein
transkristalliner Widerstandswert (R
1),
ein Punkt 1,45 Ω ein
Gesamtwiderstandswert (R
1 + R
2)
und eine Differenz zwischen dem Gesamtwiderstandswert (R
1 + R
2) und dem transkristallinen
Widerstandswert (R
1), das heißt, die
Differenz (1,45 Ω – 0,84 Ω = 0,61 Ω) ein interkristalliner
Widerstandswert (R
2) ist. Auf diese Weise
lässt sich
ein Verhältnis
(R
1/(R
1 + R
2)) des transkristallinen Widerstandswerts
(R
1) zum Gesamtwiderstandswert aus dem transkristallinen
Widerstandswert (R
1) und dem interkristallinen
Widerstandswert (R
2) berechnen. Die berechneten
Ergebnisse sind in der Tabelle unten dargestellt. Es ist zu bemerken,
dass die in der Tabelle mit einem * gekennzeichneten Proben Werte
hatten, die aus dem Umfang dieser Erfindung herausfallen. Tabelle
1 | 2
(Ω) | 3
(Ω) | 4
(Ω) | 5 | 6
(Ω·cm) | 7
(%/°C) | 8 |
*1 | 0,74 | 1,64 | 2,38 | 0,31 | 3,8 | 12,1 | nur
Luft |
2 | 0,7 | 1,19 | 1,89 | 0,37 | 3,0 | 12,8 | N2 + O2
|
3 | 0,75 | 0,82 | 1,57 | 0,48 | 2,5 | 11,8 | N2 + O2
|
4 | 0,82 | 0,82 | 1,64 | 0,50 | 2,6 | 10,7 | N2 + O2
|
5 | 0,79 | 0,72 | 1,51 | 0,52 | 2,4 | 10,9 | H2/N2 + O2
|
6 | 0,83 | 0,71 | 1,64 | 0,57 | 2,8 | 12,5 | N2 + O2
|
7 | 0,88 | 0,63 | 1,51 | 0,58 | 2,4 | 10,8 | N2 + O2
|
8 | 0,84 | 0,61 | 1,45 | 0,58 | 2,3 | 11,1 | H2/N2 + O2
|
9 | 0,84 | 0,54 | 1,38 | 0,61 | 2,2 | 11,4 | N2 + O2
|
10 | 0,95 | 0,56 | 1,51 | 0,63 | 2,4 | 11,9 | N2 + O2
|
11 | 0,86 | 0,33 | 1,19 | 0,72 | 1,9 | 10,8 | H2/N2 + O2
|
12 | 0,84 | 0,29 | 1,13 | 0,74 | 1,8 | 9,9 | N2 + O2
|
13 | 0,77 | 0,17 | 0,94 | 0,82 | 1,5 | 9,1 | H2/N2 + O2
|
*14 | 0,55 | 0,08 | 0,63 | 0,88 | 1,0 | 2,9 | nur
N2
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In
der obigen Tabelle haben die Spalten 1 bis 8 folgende Bedeutung
- Spalte 1: Nr. der Probe;
- Spalte 2: transkristalliner Widerstandswert;
- Spalte 3: interkristalliner Widerstandswert;
- Spalte 4: Gesamtwiderstandswert;
- Spalte 5: Verhältnis
des interkristallinen Widerstandswerts zum Gesamtwiderstandswert;
- Spalte 6: spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur;
- Spalte 7: Temperaturgang des Widerstands;
- Spalte 8: Sinteratmosphähre.
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Die
Tabelle 1 zeigt, dass die Halbleiterkeramik dieser Erfindung einen
spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von 3,0 Ω·cm oder
weniger und einen Temperaturgang des Widerstands von 9%/°C oder mehr
hat.
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Ein
Grund, weshalb das Verhältnis
(R1/(R1 + R2)) des transkristallinen Widerstandwerts
zum Gesamtwiderstandswert auf den Bereich von 0,35 bis 0,85 beschränkt sein
sollte, wird nachstehend erläutert:
Bei
der in der Tabelle angeführten
Probe Nr. 1 wird der Widerstandstemperaturkoeffizient, wenn das
Verhältnis (R1/(R1 + R2)) kleiner als 0,35 ist, sehr hoch, nämlich 12,1%/°C, und der
spezifische Widerstand dieser Probe wird bei Raumtemperatur in unerwünschter
Weise höher
als 3 Ω·cm. Andererseits
nimmt, wie die Probe Nr. 14 in der Tabelle zeigt, wenn das Verhältnis (R1/(R1 + R2)) größer als
0,85 ist, der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur dieser Probe
den Wert 1,0 Ω·cm an,
jedoch wird der Temperaturkoeffizient in unerwünschter Weise viel kleiner
als 9%/°C.
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Die
Halbleiterkeramik dieser Erfindung hat einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten.
Insbesondere liegt das Verhältnis
(R1/(R1 + R2)), in dem R1 einen
transkristallinen Widerstandswert der Kristallkörnchen, R2 einen
interkristallinen Widerstandswert der Kristallkörnchen und R1 +
R2 den Gesamtwiderstandswert, nämlich die
Summe aus R1 und R2,
angeben, im Bereich 0,35 bis 0,85. Deshalb lässt sich mit einer Halbleiterkeramik,
bei der das obige Verhältnis
in den angegebenen Bereich fällt,
sicherstellen, dass der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur
3 Ω·cm oder
weniger und der Temperaturgang des Widerstands 9%/°C oder mehr
betragen.
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Außerdem lässt sich
durch Bildung der obigen Kristallkörnchen, die als Hauptkomponente
Bariumtitanat enthalten, eine Halbleiterkeramik mit ausgezeichneter
PTC-Eigenschaft herstellen.
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Darüber hinaus
wird ein keramisches Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung dadurch hergestellt,
dass auf einem die obigen Bedingungen erfüllenden Halbleiterkeramikkörper Elektroden
gebildet werden. Zusätzlich
lässt sich
das erfindungsgemäße Keramikhalbleiterelement,
das einen kleinen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur hat,
wirksamer für
den Schutz einer elektrischen Schaltung verwenden.