DE1278626B - Elektrisches Schaltelement aus einem Halbleitermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-41/00

Nummer: 1 278 626

Aktenzeichen: P 12 78 626.4-33 (D 49648)

1 278 626 Anmeldetag: 19.Märzl966

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Schaltelement aus einem Halbleitermaterial, das beim Überschreiten eines Grenzwerts der angelegten Spannung von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Grenzwerts des hindurchfließenden Stroms wieder zurückschaltet.

Es sind Halbleiterschaltelemente dieser Art bekannt, insbesondere solche mit amorphem oder glasartigem Aufbau, deren Material eine kontinuierliche Widerstands-Temperatur-Charakteristik aufweist. Sie besitzen eine Reihe von sehr wertvollen Eigenschaften, lassen aber in einigen Punkten noch Wünsche offen. Sie erfordern für jedes Umschalten vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand eine für manche Anwendungszwecke große Leistung. Ihre Funktionsweise ist bei zu schaltenden großen Belastungswiderständen in Frage gestellt. Höheren Frequenzen vermag das Schaltspiel nicht mehr zu folgen. Ihr Widerstand im niederohmigen Zustand ist so stromabhängig. Vielfach wird aber ein konstant bleibender Widerstand, wie er von der metallischen Leitung her bekannt ist, gewünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrere Nachteile der bekannten Schaltelemente zu beheben.

Die Erfindung besteht in der Verwendung eines Halbleitermaterials, dessen Leitfähigkeit beim Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes sprungartig ansteigt.

Während bei den bekannten Schaltelementen der gesamte Widerstandssprung von einer entsprechenden Temperaturänderung des Halbleitermaterials im Strompfad und einem entsprechend großen, diese Temperaturänderung hervorrufenden Strom begleitet sein muß, wird beim erfindungsgemäßen Schaltelement wenigstens ein Teil dieses Widerstandsprundes durch den materialeigenen Sprung in der Temperatur-Leitfähigkeit-Charakteristik überbrückt. Die erforderliche Temperaturänderung im Strompfad und somit die Umschaltleistung ist daher wesentlich geringer als bei den bekannten Schaltelementen. Infolge des hohen negativen Widerstandes können sehr hohe Belastungswiderstände von beispielsweise 100 kQ und mehr geschaltet werden. Die Schaltzeit kann im Bereich von Mikrosekunden liegen, so daß auch ein Schaltspiel bei sehr hoher Frequenz möglich ist. Es kommt hinzu, daß die bekannten Halbleitermaterialien dieser Art im Anschluß an den Sprung in der Temperatur-Leitfähigkeit-Charakteristik einen Kurvenast mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes besitzen, so daß sie im Elektrisches Schaltelement aus einem
Halbleitermaterial und Verfahren zu seiner
Herstellung

Anmelder:

Danfoss A/S, Nordborg (Dänemark)
Vertreter:

Dr.-Ing. U. Knoblauch, Patentanwalt,
6000 Frankfurt, Kühhornshofweg 10

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Jb Knud Kirstensen,
Langes0, Nordborg (Dänemark)

niederohmigen Zustand eine Leitfähigkeit nach Art der Metalle zeigen.

Die erfindungsgemäß brauchbaren Schaltelemente haben vorzugsweise kristallinen Charakter, wobei sowohl Einkristalle als auch ein polykristallines Material in Frage kommen. Bei den Kristallen ist eher eine Sprungfunktion der Leitfähigkeit zu erwarten als bei amorphem oder glasartigem Material.

Besonders günstig ist als Halbleitermaterial das Oxyd eines Übergangsmetalls (Atomnummern 21 bis 28, 39 bis 46 und 57 bis 78), das unterhalb der Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften eines Halbleiters oder Isolators und oberhalb der Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften von Metall hat. Auf diese Weise ergibt sich einerseits ein genügend großer Widerstandssprung und andererseits eine gewünschte Widerstandskennlinie im niederohmigen Zustand.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das das Halbleitermaterial bildende Metalloxyd sich im Zustand unvollständiger Oxydation befindet und das betreffende Metall mindestens einen weiteren Zustand mit vollständigerer Oxydation einzunehmen vermag. Die unvollständige Besetzung mit Sauerstoff scheint für die Sprungfunktion besonders günstige Voraussetzungen zu schaffen.

Unter den vielen brauchbaren Halbleitermaterialien sticht besonders VanadiumoxydVO₂ hervor, dessen Sprungtemperatur nur wenig über der Raumtemperatur liegt, so daß schon eine geringe Spannungserhöhung zu dem gewünschten Umschalteffekt führt.

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Seir brauchbar ist ferner das Titanoxyd Ti_aO₃, sammenhang gemessenen Kurven zeigen aber keinen dessen Umschalttemperatur in der Größenordnung Sprung in der Leitfähigkeit-Temperatur-Charakte-IO/³ C liegt. ristik. Außerdem sind sie nur bedingt und auch nur

Es ist zwar bekannt, daß Metalloxyde, darunter bei Gleichspannung als Schalter zu gebrauchen, juch VO₂ und Ti₂O₃, bei der sogenannten Neel- 5 Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Temperatur einen Leitfähigkeitssprung zeigen, unter- Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt * halb des Sprunges einen negativen und oberhalb des F i g. 1 eine für ein erfindungsgemäß verwendSprunges einen positiven Temperaturkoeffizienten des bares Halbleitermaterial gültige Leitfähigkeits-Temelektrischen Widerstandes besitzen. Man hat diese peratur-Charakteristik, Eigenschaft jedoch nicht für elektrische Schalt- io F i g. 2 in einem schematischen Strom-Spannungselemente ausgenutzt. Vielmehr sind diese Materialien, Diagramm die Kennlinie eines erfindungsgemäßen wenn überhaupt, nur als temperaturabhängige, von Schaltelements (ausgezogene Linien) im Vergleich außen beheizte Widerstände benutzt worden, die das mit einem bekannten Element (gestrichelte Linien) Erreichen der Neel-Temperatur durch eine deutlich und

merkbare Änderung des Widerstandes anzeigen. 15 F i g. 3 eine schematische Darstellung eines erfin-

Die Temperaturdifferenz zwischen dem hochohmi- dungsgemäßen Schaltelements, gen und dem niederohmigen Zustand kann wegen des In Fi g. 1 ist die Abhängigkeit der LeitfähigkeitL Leitfähigkeitssprunges beim Erfindungsgegenstand von der Temperatur t des Vanadiumoxyds VO₂ darunter sonst gleichen Verhältnissen geringer sein als gestellt. Die Leitfähigkeit nimmt zunächst allmähbei den bekannten Schaltelementen. Demzufolge kann 20 lieh mit der Temperatur zu, macht bei der Sprungauch die für das Zurücksehalten auf den hochohmi- temperatur t_s einen Sprung nach oben und nimmt gen Widerstand erforderliche Abkühlung schneller dann mit steigender Temperatur wieder ab. Die vonstatten gehen. Sprungtemperatur t_s liegt mit geringem, aber aus-

Die Schaltverzögerung ist daher geringer. Man reichendem Abstand oberhalb der Raumtemperakann diese Schaltverzögerung noch weiter herabset- 25 tür t_R. Diese Kurve A unterscheidet sich deutlich von zen, wenn das Halbleitermaterial als dünner faden- der Kurve B, die für ein bekanntes Schaltelement gilt, förmiger Pfad in einem anderen Material geringerer bei dem die Leitfähigkeit kontinuierlich mit der Tem-Leitfähigkeit eingebettet ist. Dieses andere Material peratur zunimmt.

führt im niederohmigen Zustand keinen beachtens- In F i g. 2 ist lediglich im ersten Quadranten (bei werten Strom und bleibt daher etwa auf Umgebungs- 30 Wechselstrom ist spiegelbildlich auch der dritte Quatemperatur. Bei Stromunterbrechung, z. B. beim Null- drant besetzt) die Abhängigkeit des Stroms von der durchgang eines Wechselstroms, wird daher der Spannung gezeigt. Die Kurve C gilt für das erfindünne fadenförmige Pfad schlagartig abgekühlt und dungsgemäße Schaltelement, die gestrichelte Kurve D nimmt seinen hochohmigen Zustand ein. Aus Grün- gilt für bekannte Schaltelemente. Mit steigender den der Materialverträglichkeit und auch aus Grün- 35 Spannung nimmt im Kurvenast I der Strorn zunächst den einer besonders einfachen Herstellung empfiehlt langsam zu. Bei dem bekannten Element ist bei der es sich, das Einbettungsmaterial aus dem gleichen Grenzspannung E7_S eine solche Temperatur erreicht, MetalIoxyd wie das Halbleitermaterial, aber mit einer daß wegen des negativen Temperaturkoeffizienten des anderen, vorzugsweise höheren Oxydationsstufe be- Materials ohne weitere Spannungserhöhung automastehen zu lassen. 40 tisch der Kurvenast II durchlaufen wird, bis schließ-

Der dünne fadenförmige Pfad sollte möglichst lieh der Kurvenast III erreicht wird. Bei dem erfinklein sein. Seine Abmessungen richten sich im we- dungsgemäßen Schaltelement gilt die Kurve C, bei sentlichen nach dem gewünschten Widerstand im der an irgendeinem Punkt relativ geringer Stromhochohmigen Zustand. Die günstigsten Verhältnisse stärke der horizontale Kurvenast IV abzweigt. Er ergeben sich, wenn er in Stromdurchflußrichtung eine 45 geht dann in den Kurvenast V über, der den niederAbmessung von höchstens 100 μ, vorzugsweise weni- ohmigen Zustand mit metallischer Leitfähigkeit kerniger als 50 μ, und quer dazu einen Durchmesser von zeichnet. Der Kurvenast IV braucht nicht genau an höchstens 10 μ, vorzugsweise weniger als 5 μ, hat. dem Punkt abzuzweigen, welcher der Grenztempera-

Ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung tür für ein Halbleitermaterial mit kontinuierlicher des erfindungsgemäßen Schaltelements besteht darin, 50 Leitfähigkeitscharakteristik entspricht. Vielmehr kann daß V₂O₅ zu einer hochohmigen dünnen Schicht ge- der Ast IV je nach dem verwendeten Material, den formt,"mit Elektroden belegt und durch Anlegen Wärmeabfuhrverhältnissen usw., horizontal nach einer, bezogen auf die Betriebsspannung, hohen Span- unten oder oben verschoben sein, nung elektrisch formiert wird. Die Formation be- Auf jeden Fall ist erkennbar, daß zum Umschalwirkt, daß in einem dünnen fadenförmigen Pfad 55 ten ein sehr viel geringerer Strom erforderlich ist, V₂O₅ umgewandelt wird zu VO₂, also einem Mate- daß eine sehr viel geringere Leistung notwendig ist, rial, das die angestrebte Sprungfunktion besitzt. daß die Umschalttemperatur niedriger liegen kann

Handelsübliches V₂O₅ ist niederohmig. Die ange- und daher die Rückschaltabkühlung schneller erfolgt strebte hochohmige dünne Schicht kann aber bei- und daß im niederohmigen Zustand eine metallische spielsweise dadurch erzeugt werden, daß eine Katho- 60 Leitfähigkeit mit einem positiven Koeffizienten des denzerstäubung in einer Edelgasatmosphäre mit Ohmschen Widerstandes vorhanden ist. wenig Sauerstoff erfolgt. Eine andere Möglichkeit be- Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltsteht darin, das V₂O₅ zu schmelzen und anschließend elements wird eine dünne Scheibe 1 aus hochohmiabzuschrecken. gem Vanadiumpentoxyd hergestellt, z. B. durch

Es ist zwar bereits bekannt, eine dünne Scheibe 65 Kathodenzerstäubung in einer Argonatmosphäre mit aus bestimmten Metalloxyden, wie Nickelferrit, an etwas Sauerstoff. Diese Scheibe wird mit zwei Elekeine hohe Spannung zu legen, um dem Element Halb- troden 2 und 3 abgedeckt und über die Kontakte 4 leitereigenschaften zu verleihen. Die in diesem Zu- und 5 an eine über der Betriebsspannung liegende

Claims (13)

Spannung angeschlossen. Hierdurch formiert sich ein dünner fadenförmiger Pfad 6, der im wesentlichen aus VO2 besteht. Patentansprüche:

1. Elektrisches Schaltelement aus einem Halbleitermaterial, das beim Überschreiten eines Grenzwerts der angelegten Spannung von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Grenzwerts des hindurchfließenden Stromes wieder zurückschaltet, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleitermaterials, dessen Leitfähigkeit beim Überschreiten eines Temperaturgrenzwerts sprungartig ansteigt.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial kristallin ist.

3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial das Oxyd eines Übergangsmetalls ist, das unterhalb der Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften eines Halbleiters oder Isolators und oberhalb der Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften von Metall hat.

4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das das Halbleitermaterial bildende Metalloxyd sich im Zustand unvollständiger Oxydation befindet und das betreffende Metall mindestens einen weiteren Zustand mit vollständiger Oxydation einzunehmen vermag.

5. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Vanadiumoxyd VO₂ ist.

6. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Titanoxyd Ti₂O₃ ist.

7. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial als dünner fadenförmiger Pfad in einem anderen Material geringerer Leitfähigkeit eingebettet ist.

8. Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbettungsmaterial aus dem gleichen Metalloxyd wie das Halbleitermaterial, aber mit einer anderen, vorzugsweise höheren Oxydationsstufe besteht.

9. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in Stromdurchflußrichtung eine Abmessung von höchstens 100 μ, vorzugsweise weniger als 50 μ hat.

10. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der fadenförmige Pfad einen Durchmesser von höchstens 10 μ, vorzugsweise weniger als 5 μ hat.

11. Verfahren zur Herstellung eines Schaltelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochohmige dünne V₂O₅-Schicht geformt, mit Elektroden belegt und durch Anlegen einer, bezogen auf die Betriebsspannung, hohen Spannung elektrisch formiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige dünne V₂O₅-Schicht durch Kathodenzerstäubung in einer Edelgasatmosphäre mit wenig Sauerstoff erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige dünne V₂O₅-Schicht durch Schmelzen und anschließendes Abschrecken erzeugt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 624 465.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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