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Spannungsabhängiger Widerstand und Verfahren und Vorrichtung zu seiner
Herstellung Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen, nichtlinearen elektrischen
Widerstand, bei dem Körner aus hexagonalem Siliciumcarbid in einem Metallbehälter
eingeschlossen sind, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung derartiger
Widerstände.
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Es sind spannungsabhängige elektrische Widerstandskörper aus körnigem
Siliciumcarbid bekannt, dessen Teilchen von einem Bindemittel unter Beifügung von
Metalloxyden zusammengehalten werden. Es ist weiterhin bekannt, daß man die Spannungsempfindlichkeit
des Widerstandskörpers durch entsprechende Wahl des Bindemittels und des Kontaktdruckes
auf bestimmte Werte einstellen kann. Diese Abhängigkeit vom Bindemittel und vom
Kontaktdruck ist darauf zurückzuführen, daß das Bindemittel unter dem angelegten
Kontaktdruck von den Kontaktstellen der Kristalle untereinander weggedrückt wird,
so daß sich dementsprechend die Mikrostruktur des Widerstandskörpers ändert.
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Es zeigte sich nun überraschenderweise, daß auch ohne Verwendung eines
Bindemittels eine Abhängigkeit der Spannungscharakteristik von dem Kontaktdruck
besteht, sofern der Kontaktdruck eine genügende Höhe hat. überraschend ist diese
Tatsache für den Fachmann insofern, als in der einschlägigen Literatur eine Abhängigkeit
der Steilheit der Kennlinie des Widerstandes vom anliegenden Druck bisher ausdrücklich
verneint wurde. Dieser Umstand dürfte darauf zurückzuführen sein, daß bei den früheren
Versuchen nur Drücke bis beispielsweise 23,6 kg/cm@ angewendet wurden, wobei allerdings
bei diesen Drücken die angegebene Abhängigkeit nicht oder nur in so geringem Maße
in Erscheinung tritt, daß sie im Rahmen der allgemeinen Versuchsgenauigkeit nicht
mehr erkennbar war. Diese neue Erkenntnis führt nun zu erheblichen praktischen Nutzanwendungen.
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Die Stromspannungsfunktion der in Rede stehenden »VDR-Widerstände«
kann durch die mathematische Näherungsformel 1-A . (erlu-1) angegeben werden, wobei
1 den Strom und U die Spannung bedeuten. A und k werden als charakteristische
Konstanten des Materials des VDR-Widerstandes betrachtet. Da die Steilheit der Stromspannungsfunktion
hauptsächlich durch den Faktor k beeinflußt wird, ist man fabrikationsmäßig bestrebt,
VDR-Widerstände mit einem möglichst großen k-Faktor definiert herzustellen. Da die
Zusammenhänge zwischen dem k-Faktor und den meßbaren Werten der Fabrikationsveränderlichen
noch weitgehend ungeklärt sind, erfolgt die Herstellung der VDR-Widerstände bisher
weitgehend empirisch. Dies bedeutet also, daß man Widerstände erhält, bei denen
der k-Faktor in bestimmten Grenzen schwankt. Man muß dementsprechend aus den erzeugten
Widerständen durch Messung diejenigen aussuchen, bei denen der k-Faktor einen bestimmten
Wert hat. Dies bedeutet jedoch auf der anderen Seite einen großen Ausschuß, wodurch
die Herstellung der VDR-Widerstände verteuert wird. Die oben erwähnte Verwendung
des Bindemittels hat unter anderem den Grund, den k-Faktor zu verbessern und ihn
besser unter Kontrolle zu bringen. Es konnten jedoch bei Bindemitteln, z. B. bei
Metalloxyden, fabrikationsmäßig nur Werte des k-Faktors von etwa 4 erreicht werden.
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Gemäß der Erfindung gelingt es nun, VDR-Widerstände ohne Verwendung
eines Bindemittels herzustellen, bei denen der k-Faktor höher liegt und wobei, was
besonders wesentlich ist, der k-Faktor fabrikationsmäßig
auf einen
bestimmten genau definierten Wert eingestellt werden kann.
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Bei den Widerständen gemäß der Erfindung sind die Körner in an sich
bekannter- Weise. ohne Bindemittel verwendet. Der Behälter ist mechanisch vorgespannt
und übt auf Grund seiner elastischen Rückstellkraft auf die Körner einen die Steilheit
der Spannungskurve bestimmenden Druck ständig aus.
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Vorzugsweise liegt der auf die Körner wirkende Druck zwischen 50 und
300 kg/cm2.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Körner des Halbleitermaterials
zwischen zwei Metallelektroden, von denen mindestens eine gegenüber dem Behälter
isoliert ist. Vorzugsweise enthält der Behälter eine Feder, deren Vorspannung den
auf die Körner ausgeübten Druck bestimmt.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung derartiger Widerstände
enthält der mit den Körnern aus dem Halbleitermaterial gefüllte Behälter seine endgültigen
Abmessungen durch Kompressionen einer Presse.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung derartiger Widerstände
ist ein Stromkreis vorgesehen, in welchem der Widerstand liegt. Der den Widerstand
während des Verschheßens seines Behälters durchfließende elektrische Strom steuert
einen Abstellmechanismus für eine die Druckwirkung erzeugende Einrichtung. Hierfür
kann ein elektromechanisches oder ein elektronisches Relais vorgesehen sein, das
auf den Abstellmechanismus wirkt. Der den Widerstand durchfließende Strom kann auch
auf einen Schalter in dem Stromkreis des Antriebsmotors wirken, welcher die Presse
betätigt. Weiterhin kann der den Widerstand durchfließende Strom auf ein Ventil
wirken, dessen Öffnung die Erhöhung des hydraulischen Druckes hinter dem Preßkolben
der Presse verhindert.
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Die Zeichnungen dienen zusammen mit der Beschreibung der weiteren
Erläuterung des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung. Es zeigt Fig. 1 schematisch
einen Querschnitt eines VDR-Widerstandes bekannter Gattung, Fig. 2 die Stromspannungskurven
von VDR-Widerständen unter verschiedenen Drücken, Fig.3 bis 6 Schnitte bevorzugter
Ausführungsformen von VDR-Widerständen gemäß der Erfindung, Fig. 7 schematisch eine
Einrichtung zur Herstellung der VDR-Widerstände gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Widerstand, der in der
oben angegebenen Weise hergestellt wurde, indem mit einer Metalloxydschicht versehene
Carborundumkristalle mit einem in hoher Temperatur härtendem Material zusammengemischt
und mit einem Druck in der Größenordnung von 1000 kg/cm2 in Pastillenform zusammengepreßt
wurden. Bei dieser bekannten Ausführungsform bilden die Halbleiterkristalle im Inneren
des Bindematerials 2 unregelmäßige Ketten. Das Bindematerial enthält weiterhin gasgefüllte
Risse 3. Bei den bekannten Herstellungsverfahren entsteht also eine unregelmäßige
innere Struktur des Widerstandsmaterials. Nachdem jedoch die Leitfähigkeit des Materials
durch ihre Mikrostruktur bestimmt ist, ergeben sich auf Grund der Unregelmäßigkeiten
der Mikrostruktur große Abweichungen der 1(U)-Funktionen der so hergestellten Widerstände.
Selbst bei VDR-Widerständen, die nach den neuesten bekannten Methoden hergestellt
werden, muß mit einer Toleranz von 40 9/o gerechnet werden. Wenn man also Präzisionswiderstände
benötigt, kann man die gewünschten Werte nur durch Auswahl der gut gelungenen Stücke
gewinnen. Dadurch wird die Fabrikation jedoch sehr kostspielig.
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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von nichtlinearen Widerständen
mit einer gleichmäßigen inneren Struktur und die genaue Einstellung ihrer elektrischen
Eigenschaften in Funktion eines gut meßbaren Parameters der Fabrikation.
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Das Herstellungsverfahren der Widerstände nach der Erfindung unterscheidet
sich von den bisherigen Fabrikationsmethoden in erster Linie dadurch, daß den Halbleiterkörnern
kein Bindemittel zugegeben wird. Dieses Bindemittel, dessen Anwendung wahrscheinlich
noch aus der Fabrikation der Carborundum-Schleifsteine stammt, ist ein Isolierstoff,
welcher zwischen den Halbleiterkörnern nur unnötig Platz einnimmt, die Struktur
des Widerstandes unregelmäßig beeinflußt, und - wie Untersuchungen gezeigt haben
- dessen k-Faktor herabsetzt.
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Es ist zwar seit langem bekannt, daß der elektrische Widerstand eines
aus Halbleiterkörnern bestehenden Materials eine Funktion des auf die Körner ausgeübten
Druckes ist. Dies ist an sich das Prinzip des Kohlemikrophons. Der Widerstand verschiedener
Carborundumkörner kann auch nicht anders definiert werden, nämlich nur unter einem
angegebenen Druck, z. B. 400 kg/cm2, welcher zur Auswahl der Körner als Prüfungsdruck
bekanntlicherweise vorgeschlagen wurde. Auf Grund dieses Prinzips wurden schon elektromechanische
Manometer und solche Rheostate vorgeschlagen, deren Widerstand durch eine Druckschraube
verändert werden kann.
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Eine gründliche Untersuchung dieser Erscheinung zeigte nun aber, daß
nicht nur der Widerstand der Körner, sondern auch die Steilheit ihrer 1(U)-Funktion,
d. h. ihr k-Faktor, von dem auf die Körner ausgeübten Druck abhängig ist. Die Fig.
2 zeigt die I(U)-Funktion von grauen Carborundumkörnern in Funktion des Druckes
P. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß die durch die Druckänderung hervorgerufene
Verschiebung der I(U)-Kurven auch die Steilheit der Kurven beeinflußt, und zwar
in den verschiedenen Spannungsbereichen verschieden. Zu jeder Art des Carborundums
und zu jeder Kristallgröße gehören ganz bestimmte Kurven in Funktion des Druckes,
welche sich sehr genau wiederholen lassen.
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Demgemäß kann man zu jeder Spezialaufgabe des VDR-Widerstandes die
geeignetste Carborundumart, Korngröße und geometrische Abmessungen der Metallkapsel
auswählen und den gewünschten Kapseldruck z. B. mit einer hydraulischen Presse einstellen.
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Diese Präzision des Herstellungsverfahrens eröffnet Möglichkeiten,
welche mit den bisherigen Fabrikationsmethoden der VDR-Widerstände nicht erreichbar
waren. Zum Beispiel sind in dem Spannungsbereich von 100 bis 200 V schon k-Werte
von 6 bis 6,3 und eine Genauigkeit einer Serie von 100 Widerständen unter 5
14 erreicht worden.
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Die Fig. 3, 4, 5 und 6 veranschaulichen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen VDR-Widerstände.
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Gemäß Fig. 3 sind die Halbleiterkörner 1 zwischen Elektroden 2 und
3 in eine Isolierkapsel 4, beispielsweise aus Bakelit, eingesetzt, welche ihrerseits
in ein Metallrohr 5 eingesetzt wird. Die beiden Stirnenden
des Metallrohres
werden unter einer Presse abgerundet. Eine Metallunterlage 6 dient zur Schonung
der Bakelitkapsel.
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Nach der Entlastung versucht die elastische Rückwirkung der Körner
das Rohr 5 zu dehnen. Dieses erleidet eine elastische Verlängerung, und demgemäß
vermindert sich der auf die Körner ausgeübte Druck. Diese elastische Entspannung
ist proportional zu der Rohrlänge. Um die Entspannung zu vermindern, verkleinert
man die Länge des Metallteiles, welcher an der Entspannung mitwirkt. Solche Beispiele
sind aus den Fig. 4 bis 6 ersichtlich.
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Gemäß Fig. 4 ist die Bakelitkapsel 4 in zwei vorzugsweise identische
Metalldosen 5 und 6 eingesetzt, welche nur an ihrem Rand durch das ringförmige Zwischenstück
7 zusammengepreßt und zusammengehalten werden. Während und nach der Pressung sind
die zylindrischen Teile der Metalldosen 5 und 6 unverändert auf Zug beansprucht.
An der elastischen Entspannung nimmt nur das kurze Stück 8 des Ringes 7 teil, welches
während der Pressung auf Druck, nach der Pressung auf Zug beansprucht ist. Demgemäß
ist die Entspannung kleiner als bei der Einrichtung gemäß Fig. 3.
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Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zwei verschiedene
Metalldosen 5 und 6 vorgesehen. Der Rand 7 der Dose 6 wird an den Rand der Dose
5 angepreßt. Die Dose 5 bleibt unter und nach der Pressung unverändert. Die elastische
Entspannung wird durch die Länge des Stückes 8 bedingt.
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Gemäß der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist nur eine einzige
Metalldose 5 vorgesehen, welche den Rand 7, 8, 9 besitzt. Auf die Elektrode 3 aufgesetzt
ist eine konische Ringplattenfeder 6, deren äußerer Rand durch den Rand 7 der Dose
5 zusammengepreßt wird. Die beiden Preßwerkzeuge wirken auf die Oberflächen 8 und
7. Der zylindrische Teil der Dose 5 bleibt nach der Entlastung unverändert, die
Ringplattenfeder unverändert zusammengedrückt. An der elastischen Gegenwirkung nimmt
nur das Stück 9 teil. Nachdem die Feder 6 nachgiebiger als der Rand 9 der Dose 5
ist, ist es möglich, den auf die Körner ausgeübten Druck viel feiner einzustellen.
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Für die Verfeinerung der Einstellung des Druckes kann eine solche
Feder auch gemäß Fig. 3 zwischen die Platte 3 und das untere abgerundete Ende des
Rohres 5 gemäß den Fig. 4 und 5 zwischen die Platte 3 und der gegenüberliegenden
Dosendecke 6 eingesetzt werden.
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Die Fig. 3 bis 6 veranschaulichen nur Beispiele der erfindungsgemäßen
VDR-Widerstände. Andere Beispiele mit anderen mechanischen Elementen können ohne
weiteres im Rahmen der Erfindung verwirklicht werden, solange die Halbleiterkörner
in einem Gefäß eingeschlossen sind, welches durch seine elastischen Rückstellkräfte
auf die Körner einen konstanten Druck ausübt.
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Wenn die VDR-Widerstände für hohe Spannungen angewandt werden sollen,
ist es vorteilhaft, ihre Durchschlagfestigkeit durch Einführung eines Isolierstoffes
zwischen die Körner zu erhöhen. Dieser Isolierstoff soll aber immer im flüssigen
Zustand oder in der Form eines sehr feinen Pulvers zugegeben werden. Weiterhin muß
man dafür sorgen, daß sein überfluß während des Zusammenpressens der Metallkapsel
durch kleine Löcher, deren Durchmesser kleiner als der Korndurchmesser ist, abgeführt
wird. Nur auf diese Weise kann man die gegenseitige Berührung der Körner sichern,
welche, wie oben erklärt, von ganz besonderer Bedeutung ist. Die Flüssigkeit oder
das Pulver wirkt auch als Schmierstoff zwischen den Körnern, welche während der
Zusammendrückung sich dadurch leichter zueinander bewegen und einen stabileren Sitz
annehmen können. Als Schmierpulver sind die Stearate, z. B. Zinkstearat, besonders
geeignet.
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Ein flüssiger Isolierstoff kann aber zwischen die Körner auch nach
dem Zusammendrücken derselben durch kleine Löcher eingepreßt werden.
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Der eingeführte Isolierstoff kann auch durch Trocknen oder auf andere
Art und Weise gehärtet werden. Diese Härtung darf aber nur nach der Beendigung der
Fabrikation stattfinden, wenn es schon sicher ist, daß jedes Korn alle seine Nachbarkörner
berührt hat und daß auf diese Körner der vorgesehene Druck wirkt. Nur so ist es
sicher, daß der Widerstand eine homogene innere Struktur besitzt und daß die Einführung
des Isoliermaterials die vorgesehenen Eigenschaften des Widerstandes nicht nachteilig
beeinflußt hat. Auf diese Weise wirkt der Isolierstoff keinenfalls als Bindemittel,
weil der Kapseldruck, welcher vorzugsweise zwischen 50 und 300 km/cm2 liegt, größer
ist als die Adhäsion des Isolierstoffes zu den Körnern.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen
Widerstände und eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens sind folgende:
Während des Zusammendrückens der Metalldose setzt man die Elektroden unter eine
elektrische Spannung, welche durch die Körner einen Strom fließen läßt. Mit wachsendem
Druck wächst dieser Strom, bis man zu jenem Stromwert kommt, welcher der gewünschten
I(U)-Funktion entspricht. Bei diesem Stromwert muß man die Presse anhalten.
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Diese Vorrichtung dient zur Automatisierung dieses Prozesses. Sie
ist gekennzeichnet durch einen Stromkreis, in dem der unter der Presse liegende
VDR-Widerstand mit einem Relais liegt, welches bei einem vorbestimmten Stromwert
den Haltmechanismus der Presse betätigt.
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Die Fig. 7 veranschaulicht ein bevorzugtes Beispiel dieser Einrichtung.
Das Zusammenpressen der Metalldose geschieht unter einer hydraulischen Presse, deren
Preßwerkzeug 1 von dem Rahmen 2 der Maschine mittels einer Isolierplatte 3 isoliert
ist. Das andere Preßwerkzeug 4 bewegt sich in einem Zylinder 5 unter einem Öldruck,
welcher von einer Ölpumpe 6 stammt. Das Gewicht des Werkzeuges 4 wird durch eine
Feder 7 ausgeglichen. Zwischen das Werkzeug 1 und dem Rahmen 2 der Maschine, welche
mit dem anderen Werkzeug 4 in leitender Verbindung ist, wird ein Stromkreis eingeschaltet,
welcher eine Stromquelle - vorzugsweise eine Gleichstromquelle 8 -, einen Regelwiderstand
9, ein elektromagnetisches Relais 10 und den zwischen den beiden Werkzeugen
liegenden VDR-Widerstand enthält. Die Ölpumpe 6 wird von dem Elektromotor
11 angetrieben. Der Motor 11 ist auf die Klemmen seiner Stromquelle 12 durch
einen Schalter 13 geschaltet, welcher durch das Relais 10 ausgeschaltet werden kann.
Das Relais 10 betätigt den Schalter in dem Augenblick, in welchem der Strom
des VDR-Widerstandes den gewünschten Wert erreicht.
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An Stelle eines elektromagnetischen Relais kann z. B. auch ein Elektronenröhrenrelais
oder irgendein anderes Relais verwendet werden. An Stelle des Schalters des Elektromotors
kann das Relais z. B. ein
Ventil des Ölkanals betätigen, welches
eine weitere Erhöhung des Druckes hinter dem Preßwerkzeug verhindert. Man kann auch
durch das Relais irgendeinen anderen Teil der Maschine betätigen lassen.
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Weitere Abänderungen der Vorrichtung können im Rahmen der Erfindung
vorgenommen werden, vorausgesetzt, daß das Anhalten der Druckerhöhung an dem VDR-Widerstand
durch den Strom gesteuert ist, welcher durch denselben Widerstand fließt.