DE1646987B2 - Verfahren zum herstellen polykristalliner scheiben-, stabrohr- oder folienfoermiger keramischer kaltleiter-, bzw. dielektrikums- bzw. heissleiterkoerper - Google Patents
Verfahren zum herstellen polykristalliner scheiben-, stabrohr- oder folienfoermiger keramischer kaltleiter-, bzw. dielektrikums- bzw. heissleiterkoerperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum H* . n
polykristalliner scheiben- stah I ™Herslel]cn
förmiger keramischer Kaht^
bzw. Heißleiterkörper mit durc^itS^rS
iitgroße zwischen 1 und 50 μΓη die teilwek, ~™:
und teilweise p-leitend sind, besSend au η "
fcrroelektrischem Material,*i,Perowsk
allgemeinen Formel M"MIVO ?Γ
oder Lanthan als Dotieru^^
lung, wobei als Me" Barium und zur Vers C urte-Temperatur wenigstens eines der AS;
.,,m. Kalzium, Bta und als Me" Titanund zur Ver"
siebung der Curie-Temperatur wenigen· eini"
<,jr Metalle Zirkon, Zinn vorhanden kt „L η
Anteil der Me'v-Metalle bis zu: J?wa% M Γ
,rößer ist als der Anteil der M?Äb M°lpru2ent 'S
Korper der beschriebenen Art sind a;. sirh bekannt
>■* werden in a Her Regel nach an sich bekannte?Ver
i^ren sperrschichtfrei kontaktiert, d. h.. daß "Sehen
. m Korper und der darauf aufgebrachten Metall
ung keine hochohmioe b ' <:
tätskonstante sowie durch die spontane Polarisation gesteuert:
Tl .«Rannte keramische Kaltleiter
η als Widerstände mit hohem positivem Tem-,,^urkoeffkienten
des Widerstandswertes m Ber-ch
der Cune-Temperatur, aber auch als Kondensa-ι
dielektnkum und bei entsprechender Zusamme.i-/ung
als Piezoelemente verwendet Das aus einem Gefiige aus zusammengesinterten
!,ornern der oben angegebenen Größenordnung Te
..-•hende Perowskitmaterial weist an den Kornober-
!,chen bzw. in den Zwischenschichten zwischen den
κ ornern (be.des soll im folgenden kurz als Korngren"
-•bezeichnetwerden) eine von der Zusammensetzung
Banumtitanat stellt unter gewissen Voraussetzungen
ein bevorzugtes Perowskitmaterial mit den oben angegebenen Eigenschaften dar. Die folgenden über-
!,!Uingen sollen deshalb am Beispiel des Bariumtitanais
erläutert werden, ohne dadurch die Erfindung nur auf Banumtitanat zu beschränken
(H?r?mi!nnHftrikUm bekannie Bariunuilanat
BaHO3) kann durch geeignete Dotierung nach dem
Ρπηζ,ρ der gelenkten Valenz in den halbleitend™
Zustand mit η-Leitung übergeführt werden (ζ Β durch
Linbau von Antimonoxid Sb2O3). Hierbei zeig, sich
L" ??ni^ b u eschranktcn Temperaturintervall von 20
bis; 150 C, beginnend bei der Curie-Temperatur (etwa
115 C) ein steiler W,derstandsanstieg, der bei den ,o
bekannten Materialien bisher maximal vier Zehner- ' potenzen betragt.
Das Diagramm nach Fig.! gibt eine übersichtliche
Darstellung dieser Eigenschaft. Aufgetragen sind der spezifische Wjderstand e und die Dielektrizitätskon- 5s
stanz , der dotierten Bariumtitanatkeramik als Funk- "
tion der Temperatur bei Feldstärken von etwa 10 V/cm bzw. 3 kV/cm. '
Aus den bisher bekannten Untersuchungen cr^ib
sich, caß die Ursache für den anomalen Widerstands- «>
anstieg oberhalb der Curie-Temperatur in den Korngrenzen
lokalisiert ist (vgl. F i g. 2). Dort befinden sich Akzcplor-Oberflächcnterme (N), in die die Elektronen
übertreten können. Hierdurch bilden sich an den Korngrenzen Raumladungszonen aus (2mal r) Di>
hS im Biindcrmodell sich ergebende Bandaufbäumungvn
innerhalb dieser Raumladungszone (in F i g. 2 ist nur das Leitungshand gc/cigt) wird durch die DielektriziDamit
ergibt sich eine starke Temperaturabhängigkeit des Sperrschichtwiderstands. Das Maximum der
Bandaufbäumung ?0 und damit des Widerstandsanstiegs
ist erreicht, wenn die Oberflächenterme (N) bis zum Fermi-Niveau angehoben sind. Die Höhe
des Widerstandsmaximums wird also im wesentlichen durch die Aktivierungsenergie der Oberflächenterme
bestimmt. Da es sich um einen Sperrschichtwiderstand handelt, ergibt sich vor allem im Bereich maximaler
Bandaufbäumung eine starke Spannungsabhängigkeit des Widerstandes, deren Größe makroskopisch
durch die Zahl der hintereinandergeschalteten Korngrenzen bestimmt wird.
Es ist nun bekannt, daß die Widerstands-Temperaiur-Charakteristik solcher halbleitender Bariumtitanatkeramik,
je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsbedingungen, beachtliche Unterschiede in
Steilheit und Höhe des Widerstandsanstiegs zeigt, wobei jedoch bei der Höhe des Widerstandsanstiegs vier
Zehnerpotenzen zwischen den Widerstandswerten vor und nach dem Abstieg nicht überschritten werden.
Es wurde vermutet, daß der Grund Tür die Unterschiede in Steilheit und Höhe des Widerstandsanstiegs
zum Teil in Unterschieden der Oberflächenterme zu suchen ist, die bisher als der am schwersten zu beherrschende
Faktor im Gesamtsystem angesehen werden. So wurde bereits gezeigt, daß eine Anreduktion (Entzug
von Sauerstoff aus dem Gitter) den Widerstandsanstieg herabsetzt oder die Obcrflächensperrschichten
ganz zerstört. Es wurde sogar schon die Vermutung geäußert, daß die Sauerstoffbilanz der entscheidende
Faktor für die Entstehung der Oberflächensperrschichten sei, doch zeigen Versuche, die zur vorliegenden Erfindung
geführt haben, daß auch bei gleichem Sauerstoffpartialdruck gesinterte Proben gleicher Bruttozusammensetzung
erhebliche Unterschiede im Verlauf des Widerstandsantiegs aufweisen. Im Diagramm nach
Fig. 3 sei dies an einzelnen Beispielen erläutert, wobei
zur Erklärung der einzelnen Kurven die Tabelle I dient. In dieser Tabelle sind die einzelnen TiO2-Materialien
(I bis V) und Bariumkarbonat (VI) mit ihren Verunreinigungen gezeigt. Die Materialien I bis V
wurden jeweils mit Bariumkarbonat V! zu BaTiO., bei etwa 100O0C umgesetzt, das mit einer Dotierung
von etwa 0,12 Molprozent Antimonoxid (Sb2O3) verschen
war und bei 136O0C 1 Stunde gesintert wurde. Unterschiedlich sind bei den einzelnen Widerstands-Tcmpcratur-Kennlinien
in F i g. 3 somit nur die TiO2-Ausgangsmalerialicn.
hs ist ersichtlich und in umfangreichen Untersuchungen
nachgewiesen, daß die Widerstands-Temperatur-Charakteristik derartiger Kaltleiter bei sonst
gleichen Herstellungsbedingungcn stark mit den verwendeten
AusgangsmiUerialien v;iriio :. Hierfür können
sowohl unterschiedliche Verunreinigungen dieses Materials als auch verschiedene Kristallisationszustände
maßgebend sein, wie sich aus der Tabelle I Ulld dem Di;u>r:imm nrii-h Ii n ^ .-toihl
5
\ 6
Tabelle 1
Verunreinigungen (Gewichtsprozent) (Spektralanalyse)
Verunreinigungen (Gewichtsprozent) (Spektralanalyse)
Material
I. Anatas
II. Anatas
II. Anatas
III. Anatas
IV. Rutil
V. Anatas (Reinst)
VI. BaCO3
VI. BaCO3
Cu | -2 | Al | -3 |
-10 | _ 2 | -10 | 3 |
<10 | -2 | -10 | -3 |
-10 | _ 2 | -10 | -3 |
<10 | -10 | -4 | |
— | -3 | -IO | -3 |
-10 | -10 | ||
Si | 3 |
>10 | -3 |
-10 |
3
_ 3 |
>10 | -1 |
< 10 -10 |
-' |
~10 | |
Mg
Kr3 ίο-1
ίο-1
10'3 10 3
ΙΟ"3
-ΙΟ"3
<10"3
<10"3
-ΙΟ"3
-10"3
-10'3
<10"3
<10"3
-ΙΟ"3
-10"3
-10'3
-Κ)"1
-10~'
-ίο-'
< 10"'
Ca
•10 -J
10"3
ίο-1
-ΙΟ"3
-ΙΟ"4
-ΙΟ"4
Sb
ΙΟ"
As
<io-3 <io-3
<io~3
<10 3
Sn | - 3 |
-K) | 3 |
<10 | - 3 |
<10 | -3 |
<10 | |
Ph
-ΙΟ"3
<io-3
Allgemein läßt sich dieser Zusammenstellung ent- Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstelnehmen,
daß mit zunehmendem Reinheilsgrad der len eines keramischen Dielektrikumkörpers beträgt
Kaltleitereffekt verringert wird. der Kupferzusatz 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozent.
Im Falle der Verwendung von Reinst-Anatas (V) Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen
ist der sprunghafte Widerstandsanstieg bis auf eine 20 eines keramischen Heißleiterkörpers beträgt der Kup-
kleine Anomalie verschwunden. Interessant ist in ferzusatz 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent.
diesem Zusammenhang, daß die in der Tabelle angegebenen Verunreinigungen höchstens in Konzentrationen auftreten, wie sie für die theoretisch berechnete
Oberflächentermdichte erforderlich sind. Nun sind aber Verunreinigungen des Ausgangsmaterials, insbesondere
bei großtechnisch hergestellten Produkten, weitgehend der willkürlichen Beeinflussung entzogen.
Der Erfindung liegt eine Reihe von Aufgaben zugrunde: Zunächst sollen die Einflüsse der Verunreinigungen
auf den Verlauf der Widerstandstemperaturkurve beseitigt werden. Weiterhin soll erreicht werden,
daß der Widerstandsanstieg möglichst steil ist und möglichst stets mindestens in der Größenordnung
von vier Zehnerpotenzen liegt. Durch gezielte Maßnahmen soll erreicht werden, daß die Widerstandstemperaturcharakteristik
so weit verändert wird, daß keramische Körper aus einem solchen Material auch als Kondensatordielektrikum und sogar als Heißleiter
verwendet werden können, d. h., daß an den Komgrenzen isolierende Zwischenschichten gebildet
werden. Die Spannungsabhängigkeit des Widerstandswertes soll verringert werden.
Die Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Herstellen polykristalliner scheiben-, stab-, rohr- oder
folienförmiger keramischer Kaltleiterkörper erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die perowskitbildenden
Ausgangssubstanzen in für die Zusammensetzung erforderlichen Mengen in Form von Oxiden oder
Oxide liefernden Verbindungen unter Beifügung der so
Dotierungssubstanz und von Kupfer als Zusatzmetall in Mengen von 0,001 bis 0,02 Gewichtsprozent, gerechnet
als CuO, bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen keramischen Körpers und zusätzlich zum
gegebenenfalls in den Ausgangsstoffen als Verunreinigung enthaltenem Kupfer, gemischt, mit 0,51 destilliertem
Wasser pro Molansatz gemahlen, danach getrocknet und bei etwa 1050° C in oxydierender Atmosphäre
während einer Dauer von etwa einer Stunde pro Molansatz umgesetzt, danach erneut mit 0,5 1 destilliertem
Wasser pro Molansatz 24 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen werden und daß aus dem Mahlgut
nach Trocknung und Zusatz an sich bekannter Bindemittel die gewünschten Körper geformt (gepreßt)
und bei etwa 13600C in oxydierender Atmosphäre für 1 Stunde gesintert werden und daß das Zusatzmetall
an den Kristallitoberflächen dabei angereichert wird.
(in /ept-iß-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als oxydierende Atmosphäre beispielsweise ein Sauerstoffstrom
verwendet.
Aus der Tabelle I, die auf Grund spektralanalytischer Messungen aufgestellt wurde und daher im besten
Fall Höchstgehalte angibt, geht hervor, daß die Ausgangsmaterialien bereits sehr geringe Mengen an
Kupfer enthalten. Dennoch kommt es zu den in F i g. 3 angegebenen Streuungen, überraschenderweise
hat sich herausgestellt, daß durch den gezielten Gehalt an Kupfer auch eine gezielte Beeinflussung der Widerstandstemperaturcharakteristik
eintritt.
Als perowskitgitterfremdes Material wanden Kupfer bei der Sinterung an die Kornoberflächen und s
dort bei Kaltleitermaterial in geringer Dicke infinitesimaler Größenordnung als Oberflächenak
torterme) bei Dielektrikummaterial und bei Ii leitern in zum Teil wesentlich größerer Dicke
p-Leitung aufweisende Zwischenschicht her. Die ■ p-Leitung bewirkenden Akzeptorterme haben je
einen sehr großen Abstand vom Valenzband im : dermodell, der in der Größenordnung von bis
liegt.
Es sind also erhebliche Energien erforderlich, η
dieser p-leitenden Zwischenschicht die Defekt-i tronen zur Leitung zu bewegen. Aus diesem Grur,
die Zwischenschicht bei normalen Temperaturer isolierend, so daß bei einer endlichen Dicke d
Zwischenschicht Körper mit einer sehr hohen, d die Zwischenschichten gegebenen Dielektrizitätskonstante
(DK) entstehen. Die gut isolierenden Zwischenschichten umgeben das im Innern gut leitende Matern!.
Bei stärkerer Dotierung wird einerseits die isolierende Zwischenschicht stärker und andererseits wird Kupfer
auf Zwischengitterplätze im Innern der Körner abgedrängt Durch die hohe Aktivierungsenergic wird
die Leitfähigkeit des Körpers bei normalen Temperaturen immer geringer, wogegen bei einem Anstieg der
Temperatur die Leitfähigkeit zunimmt. Dies stellt das typische Verhalten eines Heißleiters dar.
Bei den vorliegenden Körpern kann die Curie-Temperatur in an sich bekannter Weise verschoben
werden.
Beispielsweise bewirkt bei Bariumtitanat ein geringer Anteil an Strontium oder Zirkon eine Senkung
der Curie-Temperatur und damit eine Verlagerung des Widerstandsanstiegstemperaturbereichs zu
646
tieferen Temperaturen, während der Zusatz von Blei «Hie Curie-Temperatur über den BaTiO,-Wert von
etwa 120 C erhöht und damit den Widcrslands-• nstiegstemperalurbereich nach höheren Temperatulen
verschiebt. Bei den Körpern nach der Erfindung tritt bei der Verwendung für Kaltleiterwidcrstände
zwar stets eine leichte Erhöhung des Kaltleilerwiderstands, dagegen aber eine merkliche Verkürzung des
WidersUindsanstiegsbereiehes ein. Hie Höhe ties Widerstandsanstiegs
wird stets in der Größenordnung von vier Zehnerpotenzen erzielt. Die Tabelle Il zeigt
dies an einigen Beispielen.
Zusammensetzung
Tc == 1200C
BaTiO^ - !20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O., 20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O., O°-Typ
BaTiO3 120 -Typ
BaTiO3 120Q-Typ
BaTiO3 120D-Typ
BaTiO3 120°-Typ
BaTiO3 120°-Typ
(BaSriTiOjoO'-Typ
(BaSrKTiSn)O3 20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O3 Of-Typ
BaTiO^ - !20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O., 20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O., O°-Typ
BaTiO3 120 -Typ
BaTiO3 120Q-Typ
BaTiO3 120D-Typ
BaTiO3 120°-Typ
BaTiO3 120°-Typ
(BaSriTiOjoO'-Typ
(BaSrKTiSn)O3 20°-Typ
(BaSr)(TiSn)O3 Of-Typ
TiO,
Material
It. Tabelle I
II
Il
II
II
111
II
II
II
II
11
II
II
II
II
Zusatzstoff
CuO
CuO
CuO
CuO
CuO
Zusatz in %, etwa
0.003-0,005 0.006 0,006
CuO+ CaO 0,006-0,01 CuO + CaO 0.008
CuO + CaO 0.008-0.01
CuO + CaO
CaO
CaO
0.006 + 0.01 0,05-0,1 Spez. KaIlwiderstand
(•2cm). etwa
(•2cm). etwa
Widerslands- jWiderstands-
anstiefis-
bereicli
( Cl elwa
höhe (Zehnerpolen/), etwa
10-20 j 110 120
2,3
120 150
700
30-50
40
50
50
60
40-50
150- 200
100-150
150- 200
100-150
130
120
50-60
50
60
50
60
80-90
120
120
3,5 3,3 3,9 3.9
4.1 j 4.5 ! 4.5
S 4 ! 4.4-4.7
1 3.6
Widerstandsanstieg im steilen Bereich pro C, elwa
0,1-0,3
66 71 85 63 125 14
Wird dem als Ausgangsstoff dienenden Bariumtitanat
bzw. den zur Herstellung des Bariumtitanats zusammengemischten Komponenten Kalziumoxid in
Mengen von 0,001 bis etwa 0.1 Gewichtsprozent zugesetzt,
so ist eine Einstellung des spezifischen KaIiwiderstands
unterhalb der Curie-Temperatur möglich. Im Zusammenhang mit Kupfer wird darüber hinaus eine deutliche Verringerung der Varisioreigenschaften.
nämlich der Abhängigkeit des Widerstandswertes von einer angelegten Spannung bei Temperaturen
oberhalb des Widerstandsanstiegs erreicht. Hierzu wird näheres weiter unten angesehen.
Das Diagramm nach F i g. 4 zeigt nun einige Kurven
für den Verlauf des Widerstandes /_> in Abhängigkeit von der Temperatur. Zur Herstellung der Proben wurden
die Materialien 1 und Vl der Tabelle 1 verwendet. Das Material wurde jeweils mit 0,1 Gewichtsprozent
Sb2O3 zur Erzeugung der η-Leitfähigkeit dotiert und
nach dem oben angegebenen Verfahren hergestellt.
Die Kurve 1 entspricht der Kurve 1 in F i g. 3 und gilt für das Material der eben beschriebenen Art. ohne
daß ein Kupferzusatz getätigt wurde. In der Tabelle 1 ist zwar angegeben, daß das Material I ungefähr
10~2 Gewichtsprozent Kupfer enthält, dennoch ist der durch die Erfindung für den Kupferzusatz festgestellte
Effekt nicht zu bemerken. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß entweder die Ergebnisse der
Spektralanalyse mit dem tatsächlichen Kupfergehalt nicht übereinstimmen oder daß im Zusammenhang
mit den vielen anderen Verunreinigungen ein spezifischer Effekt nicht zu bemerken ist. Es kann aber auch
daran liegen, daß die einzelnen Chargen des Ausgangsmaterials in ihrer Zusammensetzung voneinander abweichen.
Gerade für Kaltleiter bezweckt aber die Erfindung, daß ein Mindestgehalt an zugesetztem CuO
stets sichergestellt ist. Aus Tabelle III geht hervor, für
welche Zusatzmengen an Kupferoxid die jeweiligen Kurven gelten.
40 Kurve
Cu O. Gewichtsprozent
0.00! 0.003 0.005
Q
10
0,01
0,02
0.05
0.1
0.2
0.4
Die Kurven 12 und 13 sind bei einem Material auf
genommen, das nicht mit Sb2Oi dotiert war. Wiihrenc
das Material zur Kurve 12 einen Zusatz von 0.05 Ge
wichtsprozent enthielt, zeigt die Kurve 13 den Wider
Standsverlauf von Bariumtitanat. das weder Antimor noch zusätzliches Kupfer enthielt.
Das Diagramm nach F i g. 4 zeigt, daß je nach dei
6ü Menge des zugesetzten Metalls die Körper aus solchen
Material entweder als Kaltleiter oder als Heißleite benutzt werden können. Ein Teil der für Heißleiter ver
wendbaren Materialien weisen eine extrem höh» Schein-DK von etwa 50 000 auf (tan Λ etwa 3 10~
bei 1 kHz Meßfrequenz).
An sich bekannte Sperrschichtkondensatoren, dii
beispielsweise aus Bariumtitanat bestehen, wobei diesi
Körper zunächst durch und durch reduzier! wurdei
und dann durch eine oxydierende Behandlung an der Körperoberfläche eine sehr dünne, vollaufoxydierte
Bariumtilanatschicht aufweisen, zeigen zwar, wenn man den gesamten Körper als Dielektrikum betrachtet,
auch eine sehr hohe Schein-DK, jedoch ist die Durchschlagsfestigkeit dieser sogenannten Spcrrschichtkondensatoren
sehr gering.
Wendet man Körper nach der vorliegenden Erfindung als Dielektrikum an, so werden zunächst die zum
Teil recht schwierig durchzuführenden Reduktions-•nd
Oxydationsvorgänge vermieden, denn die Körrcr aus diesem Material können direkt als Dielektrium
verwendet werden. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die Spannungsfestigkeit beträchtlich erfcöht
wird, weil an den Oberflächen der Kristallite befindlichen guten Isolierschichten jeweils nur ein
Bruchteil der am gesamten Körper angelegten Spannung liegt. Die Kapazität eines Kondensators mit
finem Körper nach der Erfindung als Dielektrikum fet abhängig von der Zahl der im Ersatzschallbild
fcintereinandergeschalteten Isolierschichten auf den lCristallitoberflächen. Durch Vergrößerung der Kriftallite
kann die Kapazität somit erhöht werden.
F i g. 5 gibt als grobe Darstellung die Verhältnisse In einem polykristallinen Körper nach der Erfindung
Wieder, und zwar sind im vorliegenden Fall drei Körner als Ausschnitt aus einem solchen Körper im
Schnitt gezeigt. Der innere, mit η bezeichnete Kern der
Kristallite ist gut η-leitend, infolge der Dotierung, beispielsweise mit Antimon. Die mit ρ bezeichneten Oberiächenschichten
auf den Kristalliten sind an sich p-leilend;
wegen des sehr hohen Bandabstandes der Akteptorterme und der deshalb sehr hohen Aktivierungs-•nergie
sind diese Oberflächenschichten bei normalen fiedingungen, d. h. unterhalb der Curietemperatur,
Sehr schlecht leitend und können praktisch als Isolierschichten betrachtet werden. Die Dicke der Ober-Üächenschichten
ρ schwankt je nach der Menge des Anteils des Zusatzmetalls. In F i g. 5 sind beispielsweise
die Verhältnisse so gezeigt, wie sie bei der Verwendung der Körper nach der Erfindung für Kondensatordielektrika
vorliegen können.
Das Diagramm nach F i g. 6 zeigt den Verlauf der Kapazität eines Scheibenkondensators mit einem
körper nach der Erfindung, der einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 1 mm hatte, in Abhängigkeit
von der Temperatur bei einer Meßfrequenz Von 1 kHz.
Mit zunehmender Menge an Zusatzmetall wird bei Kaltleitern der Varistoreffekt immer geringer.
Neben der Steuerung des Varistoreffektes durch Wahl kleiner Kristallitgrößen stellt dies eine weitere Steuermöglichkeit
des Varistoreffektes dar, die immer dann von Wert ist, wenn das Kornwachstum nicht gehemmt
werden kann.
F i g. 7 zeigt die Kurven 2 bis 9, die für folgende Zusatzmengen gelten, während Kurve 1 für ein Material
ohne Kupferzusatz gilt.
Kurve | CuO. Gewichtsprozent |
2 | + 0,001 |
3 | + 0,003 |
4 | + 0,005 |
5 | + 0,006 |
6 | + 0,009 |
use | CuO, Gewichtsprozcnl |
7 | + 0,01 |
8 | + 0,02 |
9 | + 0,05 |
Die Kurven sind aufgenommen für das Verhältnis
R/R(t in Abhängigkeit von der angelegten Spannung in
ίο Volt/cm; R ist dabei der Widerstand bei der angelegten
erhöhten Spannung, während R0 den Widerstand bei 10 Volt, cm bedeutet. Die Abnahme des Varistoreffektes
gehl aus dem Diagramm nach F i g. 7 eindeutig hervor.
F i g. 8 zeigt nun einen besonders zusammengesetzten Körper nach der Erfindung. Der Körper 21 ist
zusammengesetzt aus den Teilen 22 und 23, und zwar sind diese beiden Teile je für sich vorgefertigt und dann
zusammengesintert worden. Der Teil 22 besteht aus Bariumtitanat (Material 1 4 VI nach Tabelle 1) mit
einer Dotierung von 0,1% Sb2O3. Dieser Teil 22
ist somit gut η-leitend. Der Teil 23 ist zusammengesetzt aus dem gleichen Material wie der Teil 22, mil einem
zusätzlichen Gehalt von 0,1% CuO; dieser Teil ist somit überwiegend p-lcitend. Die auf den Körper 21
aufgebrachten Belegungen 24 und 25 dienen zur Kontaktierung. Die Nahtfläche 26 stellt einen pn-übergang
dar, wenn der gesamte Körper auf Temperaturen gehalten wird, bei denen genügend freie Ladung··; rager
vorhanden sind. Wird die Belegung 24 positiv ·■·
Belegung 25 negativ geschallet, so bildet sich Nahtstelle ein pn-übergang aus, der bei Anlegt
Spannung sperrt. Wird dagegen die Bcky positiv und die Belegung 24 negativ geschalt:·
spett der pn-übergang nicht (Durchlaßrichtum
F i g. 9 geht die Stromspannungscharakteris!: !<
in Fig.8 gezeigten Bariumtitanatdiodc Iv
hervor. Rechts der Ordinate fließt mit stc-i Spannung ein stark ansteigender Strom, währe:.
von der Ordinate, d.h.,wenn der pn-Ubcrga;
rend gepolt ist, praktisch kein Strom fließt.
Für viele technische Anwendungen (paran . Verstärker, Frequenzvervielfacher, Modulate
sind spannungsabhängige Kondensatoren er··.
Die bisher bekanntgewordenen ferroelektrisch terialien. SrTiO., oder (BaSr)TiO3 zeigen nur
lativ geringe kapazitätsänderung bei verm
Steuerspannungen.
Ein weiterer Nachteil dieser Substanzen isi. eine merkliche Spannungsabhängigkeit ledijj
Bereich des Curiepunktes zeigen und den stark temperaturabhängig sind. Im Falle des
ist daher Kühlung mit flüssigem Wasserski (Curiepunkt: -2400C). (BaSr)TiO3-Keramu
dagegen so gewählt werden, daß der Curicpu .ki in
Bereich der Zimmertemperatur liegt. Die hier vor geschlagenen Körper verbinden nur die Vorkiic dc
guten Steuerbarkeit der Varactordioden mit i!er hö heren Verstärkerleistung ζ. B. des SrTiO, bzw. de
(BaSr)TiO3.
Die Körper nach der Erfindung, die oben aN Kon
densatordielektrikum beschrieben worden sind, er füllen diese Aufgabe in hervorragender Weise, wei
bei ihnen die einzelnen η-leitenden Kristallite von eine
isolierenden bzw. schwach p-leitenden Schicht um
hüllt sind.
Sie stellen damit praktisch eine Hintereinanderschal
tung von npn-Ubergängen dar. Im Bereich der Zim
■id die
;. AUS
lks τ-
d-.VV.
mertcmpcnilur werden bei Substanzen mit einem
C'uriepunkt von 120 C Schein-DK-Werte von 20(K)O
bis 50 000 erreicht. Diese DK-Werte sind stark spannungsabhängig, da infolge des lcillahigcn Kerns der
einzelnen K ι islallitc die an den Außenelektroden auge- s legte Spannung praktisch nur an den Korngren/.cn
abfüllt, so daß hier beträchtliche Feldstärken auftreten. Und /war findet sieh schon eine starke Spannungsabhängigkeit
weit unterhalb des ('uriepunkles (Curietemperatur z.B. 120 C). Fig. 10 vermittelt iu
hiervon eine Vorstellung. Um einen Vergleich mit den bisherigen ferroelektrischcn Materialien zu ermöglichen,
ist die Spannungsabhängigkeit der DK von (BaSr)TiO3 mit eingezeichnet (Curiepunkt 200C).
Meßtemperatur:etwa20"C, Meßfrequen7 z. B. 1OkHz.
Man entnimmt der Figur, wie außerordentlich groß der Effekt ist.
In der Nähe des Curiepunktes ist die Spannungsabhängigkeit der Kapazität natürlich noch erheblicher.
Da es sich bei diesem Material praktisch um hintereinandergeschaltete
Kondensatoren handelt (es sind nur die p-leitenden Schichten an der Oberfläche
der Kristallite wirksam), erhält man je nach Korngröße und Dicke der Zwischenschichten eine mehr oder
weniger große Steuerbarkeit. *5
In F i g. 11 ist das Schallbild für die Messung der
Spannungsabhängigkeit der Kapazität dargestellt.
Der Kondensator 110, der einen Körper nach der Erfindung
als Dielektrikum hat, ist über eine Drossel ISl und über eine direk Ie Leitung 112 mit der Gleichstromspannungsquelle
ll.VStcuerspannung)verbunden.Andererseits
ist der Kondensator HO über Kondensatoren 114 und 115 mit einer Meßbrücke 116 verbunden,
die über einen Oszillator mit beispielsweise 10 k!Ϊ,!betrieben wird
In Fig, 12 ist dargestellt, daß auch bei Verwendung
von Ausgangsmuterialicn, die unterschiedliche Vcrunreinigungspegel
aufweisen, stets nahezu gleiche Widerstandstemperatur-Kennlinien erhalten werden,
wenn gleiche Kupferzusatzmengen zugefügt werden. Das Ausgangsmaterial für einen keramischen KaIlleiterkörper
mit der Widerstandstemperatur-Kennlinie 14 in F i g. 12 war Analas II (Tabelle I), für einen
Kaltleiterkörper mit der Kennlinie 15 Anatas III (Tabelle I) und für einen Kaltleiterkörper mit der Kennlinie
io Anatas i (Tabelle 1). Der Kupferzusatz betrug
bei allen drei Kaltleitcrkörpern 0,006 Gewichtsprozent, gerechnet als CuO.
Zur Herstellung eines Körpers nach F i g. 8 werder aus dem Mahlgut der jeweiligen bei der Beschreibung
der F i g. 8 angegebenen Materialien Scheiben gepreßt zwei solcher Scheiben, eine mit Zusatzmetall und ein«
ohne Zusatzmetall, werden dann zusammengepreßi und danach wie weiter oben beschrieben gesintert
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen polykristalliner scheiben-, stab-, rohr- oder folienförmiger keramischer
Kaltleiterkörper mit durchschnittlicher Kristallitgröße zwischen 1 und 50 μπι, die teilweise
η-leitend und teilweise p-leitend sind, bestehend aus dotiertem ferroelektrischem Material mit
Perowskitstruktur der allgemeinen Formel Me"-Me'vO3
mit Antimon, Niob oder Lanthan als Dotierungssubstanz für die η-Leitung, wobei als Me"
Barium und zur Verschiebung der Curietemperatur wenigstens eines der Metalle Strontium, Kalzium,
Blei und als MeIV Titan und zur Verschiebung der
Curieteoiperatur wenigstens eines der Metalle Zirkon,
Zinn vorhanden ist und der Anteil der Me'v-Metalle bis zu etwa 2 Molprozent größer ist als
der Anteil der Me"-Metalle, dadurchgekennzc ich η et, daß die perowskitbildendeii Au*-
gangssubstanzen in für die Zusammensetzung erforderlichen Mengen in Form von Oxiden oder
Oxide liefernden Verbindungen unter Beifügung der Dotierungssubstanz und von Kupfer als Zusatzmetall
in Mengen von 0,001 bis 0,02 Gewichtsprozent, gerechnet als CuO, bezogen auf das Gesamtgewicht
des fertigen keramischen Körpers und zusätzlich zum gegebenenfalls in den Ausgangsstoffen
als Verunreinigung enthaltenen Kupfer, gemischt, mit 0,5 1 destilliertem Wasser pro Molansatz
gemahlen, danach getrocknet und bei etwa 10500C
in oxydierender Atmosphäre während einer Dauer von etwa einer Stunde pro Molansatz umgesetzt,
danach erneut mit 0,5 1 destilliertem Wasser pro Molansatz 24 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen
werden und daß aus dem Mahlgut nach Trocknung und Zusatz an sich bekannter Bindemittel
die gewünschten Körper geformt (gepreßt) und bei etwa 136O0C in oxydierender Atmosphäre
für ί Stunde gesintert werden und daß das Zusatzmetall an den Kristallitoberflächen dabei angereichert
wird.
2. Verfahren zum Herstellen polykristalliner scheiben-, stab-, rohr- oder folienförmiger keramischer
Dielektrikumskörper mit durchschnittlicher Kristallitgröße zwischen 1 und 50 μΐη, die teilweise
η-leitend und teilweise p-leitend sind, bestehend aus dotiertem ferroelektrischem Material mit
Perowskitstruktur der allgemeinen Formel Me"MeIVO3 mit Antimon, Niob oder Lanthan als
Dotierungssubstanz Tür die η-Leitung, wobei als Me" Barium und zur Verschiebung der Curietemperatur
wenigstens eines der Metalle Strontium, Kalzium, Blei und als Meiv Titan und zur Verschiebung
der Curietemperatur wenigstens eines der Metalle Zirkon, Zinn vorhanden ist und der Anteil
der Meiv-Metalle bis zu etwa 2 Molprozent
größer ist als der Anteil der Me"-Metallc, dadurch gekennzeichnet, daß die perowskilbildenden Ausgangssubstanzen
in für die Zusammensetzung erforderlichen Mengen in Form von Oxiden oder
Oxide liefernden Verbindungen unter Beifügung der Dotierungssubstanz und von Kupfer als Zulatzmetall
in Mengen von 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozent, gerechnet als CuO, bezogen auf das Gesamtgewicht
des fertigen keramischen Körpers und zusätzlich zum gegebenenfalls in den Ausgangsstoffen
als Verunreinigung enthaltenen Kupfer, gemischt, mit 0,5 1 destilliertem Wasser pro Molansatz
gemahlen, danach getrocknet und bei etwa 1050°C in oxydierender Atmosphäre während einer
Dauer von etwa einer Stunde pro Molansatz umgesetzt, danach erneut mit 0,5 1 destilliertem Wasser
pro Molansatz 24 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen werden und daß aus dem Mahlgut nach
Trocknung und Zusatz an sich bekannter Bindemitte! die gewünschten Körper geformt (gepreßt)
und bei etwa 1360° C in oxydierender Atmosphäre
für 1 Stunde gesintert werden und daß das Zusatzmetall analen Kristallitoberflächen dabei angei'jicheil
wird.
3. Verfahren zum Herstellen polykristalliner scheiben-, stab-, rohr- oder folienförmiger keramischer
Heißleiterkörper mit durchschnittlicher KristalUtgröUe
zwischen 1 und 50 μΐη, die teilweise n-leitend
und teilweise p-leitend sind, bestehend aus dotiertem ferroelektrischem Material mit Perowskitstruktur
der allgemeinen Formel MenMelvO3
mit Antimon, Niob oder Lanthan als Dotierungssubstanz für die η-Leitung, wobei als Me" Barium
und zur Verschiebung der Curietemperatur wenigstens eines der Metalle Strontium, Kalzium, Blei
und als MeIV Titan und zur Verschiebung der Curietemperatur
wenigstens eines der Metalle Zirkon, Zinn vorhanden ist und der Anteil der Meiv-Metalle bis zu etwa 2 Molprozent größer ist
als der Anteil der Me"-Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß die perowskitbildenden Ausgangssubstanzen
in für die Zusammensetzung erforderlichen Mengen in Form von Oxiden oder Oxide liefernden Verbindungen unter Beifügung der Dotierungssubstanz
und von Kupfer als Zusatzmetall in Mengen von 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent, gerechnet
als CuO, bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen keramischen Körpers und zusätzlich
zum gegebenenfalls in den Ausgangsstoffen als Verunreinigung enthaltenen Kupfer, gemischt, mit
0,5 1 destilliertem Wasser pro Molansatz gemahlen, danach getrocknet und bei etwa 10500C in oxydierender
Atmosphäre während einer Dauer von etwa einer Stunde pro Molansatz umgesetzt, danach
erneut mit 0,5 1 destilliertem Wasser pro Molansatz 24 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen
werden und daß aus dem Mahlgut nach Trocknung und Zusatz an sich bekannter Bindemittel
die gewünschten Körper geformt (gepreßt) und bei etwa 13600C in oxydierender Atmosphäre
für 1 Stunde gesintert werden und daß das Zusatzmelall an den Kristallitoberflächen dabei angereichert
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung eines Kalllcilers
aus Bariumtitanat als Grundmaterial dem Ausgangsgcmisch Kaliumoxid in Mengen von 0,001
bis 0,1 Gewichtsprozent zugesetzt wird.
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1978
- 1978-01-27 JP JP878278A patent/JPS5635298B1/ja active Pending
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