DE1278626C2

DE1278626C2 - Elektrisches schaltelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1278626C2
Application number: DE1966D0049648
Authority: DE
Inventors: IbKnud Dipl.-Ing. Langesoe Nordborg Kirstensen (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1966-03-19
Filing date: 1966-03-19
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE1278626B; DK130440C; DK130440B; SE337635B; NL6703784A; AT269998B; GB1147557A; FR1515426A; BE695237A

Description

³ I 4

Rhi* auch im niederohmigea Zustand des Pf ades kei- Es ist zwar bereits bekannt, eine dünne Scheibe aus

,en beachtenswerten Strom und bleibt daher etwa auf bestimmten Metalloxyden, wie Nickelferrit, an eine Umgebungstemperatur. Bei Stromunterbrechung z.B. hohe Spannung zu legen.um dem Element Halbleiterbeim Nulldurchgiuig eines Wechselstroms, wird daher eigenschaften zu verleihen. Die in diesem Zusammender dünne fadenförmige Pfad schlagartig abgekühlt 5 hang gemessenen Kurven zeigen aber keinen Sprung und nimmt semen nocnohmigen Zustand ein. Aus in der Leitfähigkeit - Temperatur - Charakteristik. Gründen der Matenalverträglich»s.eit und auch aus Auße/dem sind sie nur bedingt und auch nur bei Gründen einer besonders einfachem Herstellung emp- Gleichspannung als Schalter zu gebrauchen fiehlt es sich, das Embettungsmaterial aus dem glei- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach-

chen Metalloxyd wie das Halbleitermaterial, aber mit 10 stehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es einer anderen, vorzugsweise höheren Oxydatiousstufe zeigt
vorzusehen. Fig. 1 eine Leitfähigkeits-Teraperatur-Charakte-

Der dünne fadenförmige Pfad sollte möglichst klein ristik,

sein. Seine Abmessungen richten sich im wesentlichen F i g. 2 in einem schematischen Strom-Spannungs-

nach dem gewünschten Widerstand im hochohmigen χ 5 Diagramm die Kennlinie eines Schaltelements mit Zustand. Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich, temperaturabhängigem Leitfähigkeitssprung (ausgewenn der Pfad einen Durchmesser von weniger als zogene Linien) im Vergleich mit einem bekannten 5 μΐη und eine Länge von weniger als 50 μΐη hat. Element mit kontinuierlicher Widerstands-Tempera-

Das Halbleitermaterial der erfindungsgemäßen tu r-Charakteristik (gestrichelte Linien) und Schaltelemente hat vorzugsweise kristallinen Charak- 20 F i g. 3 eine schematische Darstellung eines erfinter, wobei sowohl Einkristalle als auch ein poly- dungsgemäßen Schaltelements.

kristallines Material in Frage kommen. Bei den Kri- In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der Leitfähigkeit

stallen ist eher eine Sprungfunktion der Leitfähigkeit von der Temperatur t des Vanadiumoxyds VO₂ darzu erwarten als bei amorphem oder glasartigem Ma- gestellt. Die Leitfähigkeit nimmt zunächst allmählich terial. 25 mit der Temperatur zu, macht bei der Sprungtempe-

Besonders günstig ist als Halbleitermaterial das ratur t_s einen Sprung nach oben und nimmt dann mit Oxyd eines Übergangsmetalls (Atomnummern 21 bis steigender Temperatur wieder ab. Die Sprungtempe-28, 39 bis 46 und 57 bis 78), das unterhalb der ratur t_s liegt mit geringem, aber ausreichendem Ab-Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften stand oberhalb der Raumtemperatur t_R. Diese eines Halbleiters oder Isolators und oberhalb der 30 Kurve A unterscheidet sich deutlich von der Kurve B, Sprungtemperatur die Leitfähigkeitseigenschaften von die für ein bekanntes Schaltelement gilt, bei dem die Metall hat. Auf diese Weise ergibt sich einerseits ein Leitfähigkeit kontinuierlich mit der Temperatur zugenügend großer Widerstandssprung und andererseits nimmt.

eine gewünschte Widerstandskennlinie im nieder- In F1 g. 2 ist lediglich im ersten Quadranten (bei

ohmigen Zustand. 35 Wechselstrom ist spiegelbildlich auch der dritte Qua-

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das das Halb- drant besetzt) die Abhängigkeit des Stroms von der leitermaterial bildende Metalloxyd sich im Zustand Spannung gezeigt. Die Kurve C gilt für ein Schaltunvollständiger Oxydation befindet und das betref- element mit temperaturabhängigem Leitfähigkeitsfende Metall mindestens einen weiteren Zustand mit sprung, die gestrichelte Kurve D gilt für bekannte vollständiger Oxydation einzunehmen vermag. Die 40 Schaltelemente mit kontinuierlicher Widerstandsunvollständige Besetzung mit Sauerstoff scheint für Temperatur-Charakteristik. Mit steigender Spannung die Sprungfunktion besonders günstige Voraussetzun- nimmt im Kurvenast I der Strom zunächst langsam gen zu schaffen. zu. Bei dem letztgenannten Element ist bei der Grenz-

Unter den vielen brauchbaren Halbleitermaterialien spannung U_s eine solche Temperatur erreicht, daß sticht besonders Vanadiumoxyd VO₂ hervor, dessen 45 wegen des negativen Temperaturkoeffizienten des Sprungtemperatur nur wenig über der Raumtempera- Materials ohne weitere Spannungserhöhung automatur liegt, so daß schon eine geringe Spannungserhö- tisch der Kurvenast II durchlaufen wird, bis schließhung zu dem gewünschten Umschalteffekt führt. lieh der Kurvenast HI erreicht wird. Bei dem erst-

Sehr brauchbar ist ferner das Titanoxyd Ti₂O₃, genannten Schaltelement gilt die Kurve C, bei der an dessen Umschalttemperatur in der Größenordnung 50 irgendeinem Punkt relativ geringer Stromstärke der 100° C liegt. horizontale Kurvenast IV abzweigt. Er geht dann in

Ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung den Kurvenast V über, der den niederohmigen Zudes erfindungsgemäßen Schaltelements besteht darin, stand mit metallischer Leitfähigkeit kennzeichnet. Der daß V₂O₅ zu einer hochohmigen dünnen Schicht ge- Kurvenast IV braucht nicht genau an dem Punkt abbildet und mit Elektroden belegt wird und daß durch 55 zuzweigen, welcher der Grenztemperatur für ein Anlegen einer, bezogen auf die Betriebsspannung, Halbleitermaterial mit kontinuierlicher Leitfähigkeitshohen Spannung der Pfad elektrisch formiert wird. charakteristik entspricht. Vielmehr kann der Ast IV Die Formierung bewirkt, daß in einem dünnen faden- je nach dem verwendeten Material, den Wärmeförmigen Pfad V₂O₅ umgewandelt wird zu VO₂, also abfuhrverhältnissen usw., parallel nach unten oder einem Material, das die angestrebte Sprungfunktion 60 oben verschoben sein.

blitzt. Auf jeden Fall ist erkennbar, daß zum Umschalten

Handelsübliches V₂O₅ ist niederohmig. Die ange- ein sehr viel geringerer Strom erforderlich ist, daß strebte hochohmige dünne Schicht kann aber bei- eine sehr viel geringere Leistung notwendig ist, daß spielsweise dadurch erzeugt werden, daß eine Ka- die Umschalttemperatur niedriger liegen kann und thodenzerstäubung ia einer Edelgasatmosphäre mit 65 daher die Rückschaltabkühlung schneller erfolgt und wenig Sauerstoff erfolgt. Eine andere Möglichkeit daß im niederohmigen Zustand eine metallische Leitbesteht darin, das V₂O₅ zu schmelzen und anschlie- fähigkeit mit einem positiven Koeffizienten des ohm-Rri abzuschrecken. sehen Widerstands vorhanden ist.

iir Herstellung eines Schaltelements, wie es in . 3 schematisch dargestellt ist, wird eine dünne !be 1 aus hochohmigem Vanadiumpentoxyd her- ;llt, z. B. durch Kathodenzerstäubung in einer jnatmosphäre mit etwas Sauerstoff. Diese Scheibe wird mit zwei Elektroden 2 und 3 abgedeckt und über die Kontakte 4 und 5 an eine über der Betriebsspannung liegende Spannung angeschlossen. Hierdurch formiert sich ein dünner fadenförmiger Pfad 6, der im wesentlichen aus VO₂ besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Zeitschrift »Japanese Journal of Applied Physics«,

PatentansDriiche· Band 4, 1965, Nummer 1, Seiten 28 bis 40, und der

Patentanspruch. HLrOS 290479 bekannt. Außerdem ist das ther-

1 Elektrisches Schaltelement mit einem leit- mische Widerstandsverhalten von Vanadium- und fähigen pSSchen zwei Elektroden und mit 5 Tit^oxyd in ,Physical Review Letters« Band 3 einem Halbleitermaterial, das beim überschreiten 1959, Nummer 1, Seiten 34 bis 36 und m »Solid eines Grenzwerts der angelegten Spannung von State Communications«, Bana 3, 1965, Nummer 9, einem hochohmigen Zustand in einen nieder- Seiten 275 bis 277 beschrieben
ohmigen Zustand übergeht und sprunghaftem An- Bei derartigen Schaltelementen die aus einem einstieg der Leitfähigkeit, sobald die Temperatur des xo heitlichen Halbleitermaterial bestehen, ergibt sich der durch den hindJchfließenden Strom sich erwär- Vorteil, daß die zum Umschalten zwischendem hochmenden Pfades einen Temperaturgrenzwert über- ohmigen und dem niederohmigen Zustand erforderschreitet, und das wieder in den hochohmigen liehe Temperaturdifferenz wegen des Sprunges in Zustand zurückschaltet, wenn Strom und dadurch der Widerstands-Temperatur-Chraktenstik unter Temperatur im Pfad einen Grenzwert überschrei- i₅ sonst gleichen Verhaltnissen germger sem kann als tet, d a d u ι c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das bei den nachstehend erwähnten Schaltelementen mn Halbleitermaterial als dünner fadeuförmiger Pfad kontinuierlicher Widerstands-Temperatur-Charaktein einem anderen Material geringerer Leitfähig- ristik, so daß auch die fur das Zurückschalten auf keit als das Halbleitermaterial des Pfades unab- den hochohmigen Zustand erforderliche Abkühlung hängig von dessen Zustand eingebettet ist und « schneller vonstatten gehen kann. Trotzdem laßt sich daß der Pfad einen Durchmesser von höchstens ein vorgegebener zeitlicher Abstand zwischen zwei 10 μΐη und eine Länge in Stromdurchflußrichtung aufeinanderfolgenden Schaltvorgangen nicht untervon höchstens 100 μπι hat. schreiten, wenn ein sauberes Schalten erfolgen soll
2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch ge- Weiter sind Halbleiterschaltelernente aus der kennzeichnet, daß das Einbettungsmaterial aus 25 FR-PS 13 96 321 und BE-PS 6 24 465 bekannt, insdem gleichen Metalloxyd wie das Halbleitermate- besondere solche mit amorphem oder glasartigem rial, aber mit einer anderen, vorzugsweise höheren Aufbau, deren Material eine kontinuierliche Wider-Oxydationsstufe besteht. stands-Temperatur-Charaktenstik aufweist. Sie besit-
3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, da- zen eine Reihe von sehr wertvollen Eigenschaften, durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des 30 lassen aber in einigen Punkten noch Wunsche offen. Pfades weniger als 5 μπι beträgt. Sie erfordern für jedes Umschalten vom hochohmi-
4. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 gen in den niederohmigen Zustand erne fur manche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Anwendungszwecke große Leistung. Ihre Funktions-Pfades weniger als 50 μπι beträgt. weise ist bei zu schaltenden großen Belastungswider-
5. Verfahren zur Herstellung eines Schaltete- 35 ständen in Frage gestellt. Höheren Frequenzen verments nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch mag das Schaltspiel nicht mehr zu folgen. Ihr Widergekennzeichnet, daß eine hocbohmige dünne stand im niederohmigen Zustand ist stromabhängig. ν,Ο,-Schicht gebildet und mit Elektroden belegt Vielfach wird aber ein konstant bleibender Widerwird' und daß durch Anlegen einer, bezogen auf stand, wie er von der metallischen Leitung her bedie Betriebsspannung, hohen Spannung der Pfad 40 kannt ist, gewünscht.

elektrisch formiert wird. Aus der US-PS 29 48 837 sind elektrische Schalt-
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- elemente bekannt, bei denen zwei Drahtelektroden in kennzeichnet, daß die hochohmige dünne V₂O₅- einem einheitlichen Halbleitermaterial in geringem Schicht durch Kathodenzerstäubung in einer Abstand voneinander eingebettet sind. Sie haben die Edelgasatmosphäre mit wenig Sauerstoff erzeugt 45 Eigenschaft, daß sie beim Überschreiten eines Grenzwird, wertes der angelegten Spannung von einem hoch-
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- ohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand kennzeichnet, daß die dünne V₂O₅-Schicht durch übergehen und diesen Zustand speichern, bis durch Schmelzen und anschließendes Abschrecken Überschreiten eines Grenzwerts des hindurchfließenhochohmig gemacht wird. 50 den Stromes der hochohmige Zustand wieder hergestellt wird. Diese Bauelemente besitzen daher andere Eigenschaften als die eingangs genannten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Schaltelement der eingangs beschriebenen 55 Art anzugeben, das mit einem wesentlich geringeren

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgen-Schaltelement mit einem leitfähigen Pfad zwischen den Schaltvorgangen als die bisher bekannten Schaltzwei Elektroden und mit einem Halbleitermaterial, elemente zu arbeiten vermag.

das beim Überschreiten eines Grenzwerts der ange- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelegten Spannung von einem hochohmigen Zustand in 60 löst, daß das Halbleitermaterial als dünner fadenföreinen niederohmigen Zustand übergeht mit sprung- miger Pfad in einem anderen Material geringerer haftem Anstieg der Leitfähigkeit, sobald die Tempe- Leitfähigkeit als das Halbleitermaterial des Pfades ratur des durch den hindurchfließenden Strom sich unabhängig von dessen Zustand eingebettet ist und erwärmenden Pfades einen Temperaturgrenzwert daß der Pfad einen Durchmesser von höchstens überschreitet, und das wieder in den hochohmigen 65 10 μΐη und eine Länge in Stromdurchflußrichtung Zustand zurückschaltet, wenn Strom und dadurch von höchstens 100 μπι hat.
Temperatur im Pfad einen Grenzwert unterschreitet. Mit dieser Maßnahme wird die Schaltverzögerung

Halbleiterschaltelemente dieser Art sind aus der noch weiter herabgesetzt. Denn das andere Material