-
Von der Außentemperatur unabhängiger elektrischer Halbleiterwiderstand
Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren), welche durch Formpressen, Verdichten,
gegebenenfalls Sintern pulverförmigen oder körnigen Halbleitermaterials hergestellt
sind, haben den Nachteil, daß ihre elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihre
Stromspannungskennlinie, temperaturabhängig ist. Dies rührt in erster Linie daher,
daß der Widerstand derartiger Widerstandskörper stark vom Kontaktdruck der einzelnen
Teilchen gegeneinander abhängt. Bei der Erwärmung kann sich der Kontaktdruck z.
B. durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungen des Widerstandsmaterials und
des Bindemittels ändem.
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen von der Außentemperatur unabhängigen
elektrischen Widerstand aus verdichtetem, zusammengebackenem und/ oder gesintertem
Halbleiterinaterial, vorzugsweise einen spannungsabhängigen Widerstand. Gemäß der
Erfindung wird dabei vorgeschlagen, daß zur Konstanthaltung des gegenseitigen Kontaktdruckes
der Widerstandsteilchen Mittel vorgesehen sind, welche von außen her auf den Widerstandskörper
einen über die Mantelfläche gleichmäßig vcr-teilten starken mechanischen Druck (Vorspannung)
ausüben.
-
Ein bekannter Widerstand mit fallender Stromspannungscharakteristik
besteht aus Körnern halbleitenden Materials, die in einem von den Elektroden des
Widerstandes stempelartig abgeschlossenen Gefäß unter Druck angeordnet sind. Durch
den Druck auf die Körner soll eine Erschütterungsunempfindlichkeit der Kontakte
erreicht werden, so daß die Widerstände den verschiedenen technischen Anwendungszwecken
zur Erzeugung und Verstärkung von Wechselströmen (negativer Widerstand) genügen
können. Es ist jedoch in diesem Zusammenhang nicht bekanntgeworden, daß durch Druckanwendung
die Abhängigkeit der Widerstandscharakteristik von der Umgebungstemperatur zum Verschwinden
gebracht werden kann.
-
Bei Widerständen, die aus gesintertem oder zusammengebackenem Material
bestehen, erscheint es im Hinblick auf eine Erschütterungsempfindlichkeit völlig
überflüssig, diese Maßnahmen anzuwenden, denn die ursprünglichen, den Widerstandskörper
zusammensetzenden Widerstandsteilchen sind bei solchen Widerständen durch den Sinterungsprozeß
fest miteinander verbunden. Die Beseitigung der Erschütterungsempfindlichkeit dient
zudem letzten Endes dazu, einen gleichmäßigen übergangswiderstand bei den bekannten
Widerständen zu sichern, der bei einem gesinterten oder zusammengebackenen Widerstand
bereits durch den bei der Herstellung dieser Widerstände angewendeten thennischen
Verfestigungsprozeß ausreichend gegeben ist. Zudem haben gesinterte Widerstände
von sich aus bereits wesentlich niedrigere Obergangswiderstände zwischen den zusammengesinterten
Widerstandsteilchen. Außerdem wird bei einem gesinterten oder zusammengebackenen
Widerstand ein Einsetzen des fallenden Bereichs der Stromspannungscharakteristik
oder das Einsetzen anderer Eigenschaften solcher Widerstände bei wesentlich niedriger
angelegten Spannungen erreicht, als wenn die Widerstandsteilchen des spannungsabhängigen
Widerstandes lediglich unter Anwendung von Druck aneinanderhegen. Schließlich gestattet
die Anwendung von Bindemitteln, welche während des Sinterprozesses einen günstigen
Einfluß auf die aktiven Widerstandsteilchen ausüben, die Charakteristik eines gesinterten
Widerstandes weiter zu verbessern bzw. auf bestimmte Eigenschaften, z. B. hohe Steilheit,
heranzuzüchten.
-
Ein auf dieser Grundlage beruhendes Verfahren zur Beeinflussung der
Temperaturcharakteristik ist bei bekannten gesinterten Widerständen aus Siliziumkarbidteilchen
und einem isolierenden wärmeleitenden Bindemittel angewendet, wobei diese Widerstände
so aufgebaut sind, daß sich die SiC-Teilchen punktweise berühren, also mit anderen
Worten ein sich durch den gesinterten Widerstandskörper erstreckendes Skelett bilden,
dessen Hohlräume von dem höchstens den gleichen therrnischen Ausdehnungskoeffizienten
wie das SiC besitzenden Bindemittel ausgefüllt sind. Dabei soll erreicht werden,
daß der Kontaktdruck zwischen den SiC-Teilchen sich mit steigender Strombelastung
erhöht, so daß der fallende
Bereich der Widerstandscharakteristik
einen steileren Verlauf erhält.
-
Im Falle, daß bei einem solchen Widerstand der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Bindemittels gleich dem des Siliziumkarbids gewählt wird, was an sich möglich
ist, ist eine Temperaturunabhängigkeit der Stromspannungscharakteristik des Widerstandes
nur dann erreichbar, wenn das Volumen der Widerstandsmasse (SiC) gleich dem
des Bindemittels ist und die Gestalt der Hohlräume der SiC-Partikel gleich ist und
außerdem eine vollkommen regelmäßige Verteilung und Anordnung der SiC-Teilchen vorliegL
Dies läßt sich schon wegen der unregelmäßigen Gestalt, Größe und Anordnung der Teilchen
in einem Gemenge aus SiC und einem Bindemittel in der Praxis niemals erreichen.
-
Zudem soll bei dem bekannten Widerstand der Kontaktdruck zwischen
den SiC-Partikeln mit steigender Strombelastung und damit mit steigender Temperatur
ebenfalls anwachsen. Dies bedeutet, daß die Stromspannungscharakteristik eines solchen
Widerstandes nur zum Teil auf nicht thermischen Effekten (Varistoreffekt) beruht,
während im übrigen eine temperaturabhängige Komponente vorliegt. Diese temperaturabhängige
Komponente macht sich aber auch zwingend bemerkbar, wenn der Widerstand bei unterschiedlichen
Umgebungstemperaturen betrieben wird, so daß bei dem bekannten Widerstand das von
der Erfindung zu erreichende Ziel, nämlich die Unabhängigkeit der Stromspannungscharakteristik
von der Umgebungstemperatur nicht erreicht ist.
-
In vielen Fällen ist es wünschenswert, Bindemittel zu verwenden, die
sich stärker als die eigentlichen Widerstandsteilchen thermisch ausdehnen und die
be-
züglich anderer Eigenschaften, insbesondere, wegen der Verbesserung der
Stromspannungscharakteristik, sehr vorteilhaft sind. Gerade halbleitende Bindemittel
können, wie verschiedentlich bekanntgeworden, in dieser Hinsicht erhebliches leisten,
so daß die Erreichung einer hohen Steilheit der Stromspannungscharakteristik auch
durch Anwendung eines Bindemittels möglich ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
nicht kleiner als der der eigentlichen Widerstandsteilchen ist. Da die Anwendung
solcher bekannter Bindernittel unabhängig von ihrem jeweiligen thermisehen Ausdehnungskoeffizienten
bei den Widerständen gemäß der Erfindung ohne weiteres möglich ist, lassen sich
auch diese Widerstände mit hoher Steilheit ihrer Kennlinien herstellen.
-
Eine besondere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß
die den konstanten Kontaktdruck der einzelnen Teilchen aufrechterhaltenden mechanischen
Kräfte durch einen äußeren Mantel erzeugt werden, der den Widerstandskörper umgibt.
Wird z. B. das körnige Widerstandsmaterial zwischen einem äußeren und einem inneren
Metallring bzw. Metallrohr bei erhöhter Temperatur eingebracht, so daß es den Raum
zwischen den beiden Metallringen bzw. Metallrohren ausfüllt, so können beim Erkalten
erhebliche Kräfte auftreten, wenn der therinische Ausdehnungskoeffizient des äußeren
Mantels merklich größer als der der Widerstandsmasse und des inneren Ringes bzw.
Rohres ist. Dieser Vorteil tritt auch auf, wenn die den Raum zwischen den beiden
Teilen ausfüllende, gegebenenfalls unter Verwendung eines Bindemittels aufgebaute
Widerstandsmasse durch Sintern verfestigt wird, selbst wenn während des Zusammensinterns
keine merklichen Kräfte auf das Widerstandsmaterial ausgeübt werden. Bei der Abkühlung
festigt sich jedoch zunächst die Widerstandsmasse, worauf anschließend erst die
Kontraktion des äußeren Mantels (Ringes oder Rohres) erfolgt. Nach dem Erkalten
übt dieser radial gerichtete Kräfte auf den Widerstandskörper aus und gewährleistet
so die sichere Kontaktierung der Widerstandsteilchen, beispielsweise Siliziumkarbidteilchen,
untereinander. Die beiden Ringe dienen zweckmäßigerweise gleichzeitig als Anschlußelektroden.
Als Bindemittel dient zweckmäßigerweise ein Glas oder glasähnlicher Isolator
bzw. ein keramisches Mittel mit hochliegendem, Erweichungspunkt.
-
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Widerstandes nach der
Zeichnung beispielsweise dargestellt.
-
1 bedeutet ein Metallrohr mit niedrigem und 2 ein solches mit
hohem Ausdehnungskoeffizienten. Zwischen beiden ist eine Siliziumkarbidmasse
3 angeordnet. Das gegebenenfalls mit einem Bindemitt--1 versehene Karbid
3 ist in pulverförniigem bzw. kömigem Zustand zwischen den beiden Rohren
1 und 2 eingebracht worden und einem Sintervorgang unterzogen worden, bei
dem sich insbesondere das Rohr 2 stark ausgedehnt hat. Hierbei hat sich der Zwischenraum
zwischen den beiden Rohren mit der Widerstandsmasse 3 ganz ausgefüllt, so
daß beim Abkühlen ein starker mechanischer Druck vom Rohr 2 auf die Widerstandsmasse
3 und das innere Rohr 1 ausgeübt wird. Hierdurch entsteht ein so hoher
mechanischer Kontaktdruck der Widerstandsteilchen untereinander, daß eine Temperaturschwankung
der Umgebung keinen Einfluß mehr auf den Widerstand der Masse 3
ausübt.