DE2002404B2 - VOLTAGE-DEPENDENT RESISTANCE MADE FROM AN INSULATING FILM WITH EMBEDDED CORES MADE OF SEMICONDUCTOR MATERIAL - Google Patents
VOLTAGE-DEPENDENT RESISTANCE MADE FROM AN INSULATING FILM WITH EMBEDDED CORES MADE OF SEMICONDUCTOR MATERIALInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen Widerstand aus einer zusammenhängenden Folie aus elektrisch isolierendem Material, in die Körner aus Halbleitermaterial derart aufgenommen sind, daß die Körner auf beiden Folienoberflächen frei herausragen und die Folie auf beiden Oberflächen mit Metallkontaktschichten überzogen ist, die herausragende Teile von Körnern elektrisch leitend miteinander verbinden.The invention relates to a voltage-dependent resistor made from a cohesive film electrically insulating material, in the grains of semiconductor material are included in such a way that the Grains protrude freely on both foil surfaces and the foil on both surfaces with metal contact layers is coated, which connect the protruding parts of grains to one another in an electrically conductive manner.
Diese nichtlinearen Widerstände sind wie Dioden ausgebildet. Sie werden jedoch in einem Betriebsspannungsgebiet verwendet in dem die Übergänge infolge des Tunneleffekts und/oder des Lawineneffekts in der Sperrichtung einen mit der Spannung nichtlinear zunehmenden Strom durchlassen.These non-linear resistors are designed like diodes. However, they will be in an operating voltage area used in which the transitions as a result of the tunnel effect and / or the avalanche effect in the Reverse direction let through a current that increases non-linearly with the voltage.
Widerstände dieser Art sind bereits bekannt, /. B. aus der US-PS 32 10 831.Resistors of this type are already known /. B. off U.S. Patent 3,210,831.
Der Autor dieser Patentschrift f'Jhrt die Nichtlinearitiil dieser Widerstände auf die Spannungsabhängigkeit der von ihm verwendeten Halbleitermaterialien zurück, von denen lediglich Siliciumcarbid als solches in der Patentschrift genannt ist.The author of this patent specification introduces the non-linearity these resistances are due to the voltage dependence of the semiconductor materials used, of which only silicon carbide is mentioned as such in the patent.
In der Regel ist der Widerstand von Halbleitermaterial jedoch nur dann spannungsabhängig, wenn es auf besondere Weise vorbereitet ist, z. B. durch d:e Einführung von PN-Übergängcn. In der genannten US-Patentschrift ist jedoch nicht angegeben, wie die Nichtlinearität des Widerstandsmaterials, welche die erwünschte Spannungsabhängigkeit des Widerstandes herbeiführen sollte, erzielt wird. Möglicherweise soli angenommen werden, daß auch bei den zusammengesetzten Widerständen nach der amerikanischen Patentschrift 32 10 831 die Nichtlinearität durch Barrieren bewirkt wird, wie dies bei einfachen spannungsabhängi-Ben Widerständen der Fall ist, die nut zwei gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontakten (Schottky-Ubergänen\ ocier auch mit einem solchen gleichrichtenden und einem ohmschen Kontakt versehen sind. Solche einfachen Widerstände sind aus der OE-PS 2 65 370 bekannt. . .As a rule, however, the resistance of semiconductor material is only voltage-dependent if it is prepared in a special way, e.g. B. by the introduction of PN transitions. However, the cited US patent does not specify how the non-linearity of the resistor material, which should bring about the desired voltage dependence of the resistor, is achieved. That the nonlinearity caused by barriers even when the composite resistors according to the American patent specification 32 10 831, as s for simple spannungsabhängi- B resistors is the case, the nut may be adopted soli, s two rectifying metal-semiconductor contacts (Schottky Ubergän \ oc ier with such a rectifying and ohmic contact are provided. such simple resistors are known from OE Patent 2 65 370...
Unabhängig davon leuchtet jedoch ein, daß der Aufbau der Widerstände nach der US-PS 32 10 831 den Vorteil hat, daß, im Vergleich zu den Widerständen nach ίο der OE-PS 2 65 370, diese Widerstände einfacher und durch Verwendung verhältnismäßig kleiner Mengen von Halbleitermaterial hergestellt werden können.Regardless of this, however, it is clear that the Structure of the resistors according to US-PS 32 10 831 has the advantage that, compared to the resistors according to ίο the OE-PS 2 65 370, these resistors easier and by using relatively small amounts can be made of semiconductor material.
Andererseits sind, wie in der OE-PS 2 65 370 erwähnt für den Zusammenbau spannungsabhängiger Widerstände Halbleitematerialien mit einem Bandabstand von mindestens 1,IeV besonders gut geeignet, wobei dort die A111 Bv-Verbindung Galliumarsenid genannt ist. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den spannungsabhängigen Widerstand der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern daß er bei Spannungen unterhalb von 10 V eine hohe Nichtlinearität d h eine steile Kennlinie besitzt, und auch bei kleinen Abmessungen mit einer hohen Reproduzierbarkeit der Widerstandseigenschaften herstellbar ist. Die-.e Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale gelöst, nämlich daß die Körner aus Galliumphosphid bestehen und eine Größe von maximal 150μπι aufweisen und daß mindestens eine der Kontaktschichten mit den herausjo ragenden Körnerteilen gleichrichtende Metall-Halbleiterübergänge bildet.On the other hand, as mentioned in OE-PS 2 65 370, semiconductor materials with a band gap of at least 1 IeV are particularly well suited for the assembly of voltage-dependent resistors, the A 111 B v compound gallium arsenide being named there. The invention is based on the object of improving the voltage-dependent resistor of the type mentioned at the outset in such a way that it has a high non-linearity, ie a steep characteristic curve, at voltages below 10 V, and can be produced with high reproducibility of the resistance properties even with small dimensions. The object is achieved according to the invention by the totality of the following features, namely that the grains consist of gallium phosphide and have a maximum size of 150μπι and that at least one of the contact layers with the protruding grain parts forms rectifying metal-semiconductor junctions.
Auf diese Weise zusammengebaute WiderständeResistors assembled this way
haben eine besonders große Nichtlinearität, ähnlich wiehave a particularly large non-linearity, similar to
die nach der OE-PS 2 65 370. Sie weisen diese jedochthose according to OE-PS 2 65 370. You assign this, however
auch bei wesentlich niedrigeren Betriebsspannungen alseven at significantly lower operating voltages than
den in dieser Patentschrift angegebenen auf.those specified in this patent specification.
Dank der Verwendung halbleitender Körner von maximal 150 um bei einer großen Körnerdichte auf der FoIi' auch bei kleinen Abmessungen der Fohenoberfläehe lassen sich die die Widerstände, wegen der großen Anzahl von Elementen aus denen die Widerstände aufgebaut sind, mit großer Reproduzierbaren der Widerstandseigenschaften herstellen.Thanks to the use of semiconducting grains of a maximum of 150 µm with a high grain density on the FoIi 'even with small dimensions of the foil surface the resistors, because of the large number of elements that make up the resistors are constructed, with great reproducibility of the Establish resistance properties.
Der spezifische Widerstand der Halbleiterkorner läßt sich in bekannter Weise durch Zusatz von Donatoren und Akzeptoren einstellen.The specific resistance of the semiconductor grains can adjust themselves in a known manner by adding donors and acceptors.
Außer anderen Parametern, wie der Oberflache derExcept for other parameters, such as the surface of the
Kontaktschicht, der Dichte der Körner auf der FolieContact layer, the density of the grains on the film
und der Größe und Zusammensetzung der Korner,and the size and composition of the grains,
ergibt diese Maßnahme die Möglichkeit der Einstellungthis measure results in the possibility of setting
der erwünschten Betriebsspannung der Widerstände.the desired operating voltage of the resistors.
Es hat sich gezeigt, daß Widerstände mit überraschend günstigen Eigenschaften, d. h. mit einer besonders hohen Nichtlinearität bei niedriger Spannung, auf der Basis von Halbleiterkörnern aus Galliumphosphid erhalten werden, wie an Hand des nachfolgenden Beispiels erläutert wird.It has been shown that resistors with surprising favorable properties, d. H. with a particularly high non-linearity at low voltage the base of semiconductor grains of gallium phosphide can be obtained, as shown in the following Example is explained.
Folien, in die Körner aus Halbleitermaterial in Form einer ein-korn-dicken Schicht aufgenommen sind, bo können bekanntlich auf verschiedene Weise hergestellt werden.Foils, in the form of grains of semiconductor material a one-grain-thick layer are added, as is known, bo can be produced in various ways will.
Die Körner werden z. B. zu diesem Zweck auf ein Substrat ausgebreitet und dann in einem Film flüssigen ix.._-..S{Ofre5 eir!"ebettel, oder in eine plastische Folie h5 gegebenenfalls unter Erwärmung eingepreßt. Darauf werden die Kornoberflächen, z. B. durch Schleifen, Lösen oder Abätzen, örtlich frei von dem isolierenden Kunststoff gemacht, damit Kontaktschichten ange-The grains are z. B. for this purpose spread on a substrate and then in a film of liquid ix .._- .. S { O fr e5 eir! "Ebettel, or pressed into a plastic film h5, possibly with heating. B. by grinding, loosening or etching, made locally free of the insulating plastic, so that contact layers are
bracht werden können. Bei diesen Verfahren ist es selbstverständlich nicht einfach, Folien heizustellen, in denen die Körner in Form einer ein-koi u-dicken Schicht ir einer gleichmäßigen Verteilung bestimmter Dichte liegen.can be brought. With these methods it is of course not easy to heat foils in which the grains in the form of a one-koi u-thick layer ir lie in a uniform distribution of a certain density.
Bei der Herstellung der Widerstände nach der Erfindung wird daher ein an sich bereits bekanntes Verfahren bevorzugt, bei dem auf einem Substrat eine Klebeschicht ζ. B. aus einem Kautschukleim angebracht wird, worauf die Körner ausgestreut werden. Nach dem Entfernen der Körner, die nicht an der Klebeschicht haften, entsteht eine gleichmäßige, dichte Schicht mit der Dicke eines Kornes (Philips Technische Rundschau 29 (1968) H. 9/10, Seiten 42 bis 45).In the manufacture of the resistors according to the invention, therefore, one is already known per se Method preferred in which an adhesive layer ζ on a substrate. B. attached from a rubber glue on which the grains are scattered. After removing the grains that are not attached to the adhesive layer adhere, a uniform, dense layer with the thickness of a grain is created (Philips Technische Rundschau 29 (1968) H. 9/10, pages 42 to 45).
Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind, daß nach dem Einbetten der Körner in einem Film isolierenden Kunststoff die gebildeten Folien sich bequem von dem Substrat entfernen lassen und daß außerdem durch einfaches Abwaschen der Klebeschicht die Körner auf der betreffenden Seite der Folien bereits frei herausragen und mit den erforderlichen Kontaktschichten versehen werden können. Die Kornoberfläche auf der anderen Seite der Folien können z. B. durch Lösen oder Abätzen zum Anbringen der Kontakte frei gemacht werden.Other advantages of this process are that after By embedding the grains in a film of insulating plastic, the foils formed can be comfortably removed from the The substrate can be removed and the grains can also be removed by simply washing off the adhesive layer the relevant side of the foils already protrude freely and with the necessary contact layers can be provided. The grain surface on the other side of the foils can, for. B. by loosening or Etching to attach the contacts can be made free.
Für die Zusammensetzung der Folien kommen verschiedene thermoplastische und thermo-erhärtende Materialien mit guten lsolicreigenschaften in Betracht. Zu bevorzugen sind jedoch Polyester und insbesondere Polyurethane, die außer guten mechanischen und jo isolierenden Eigenschaften eine guie Haltbarkeit aufweisen.Various thermoplastic and thermosetting ones are used for the composition of the films Materials with good insulating properties can be considered. However, preference is given to polyesters and in particular Polyurethanes, which in addition to good mechanical and insulating properties, have good durability exhibit.
Zum Erzielen günstiger, reproduzierbarer Widerstandseigenschaiten ist es selbstverständlich wichtig, daß von I lalbleiterstoffen großer Reinheit ausgegangen wird.To achieve favorable, reproducible resistance properties It is of course important that semiconductor materials of great purity are used will.
Die Kontaktschichten können durch Aufdampfen, gegebenenfalls in einem elektrischen Felde (Aufstäuben) angebracht werden. Bekanntlich kommen viele Metalle, ζ. B. Gold, Platin, Silber, Kupfer und Alumini- K) um, zur Bildung von gleichrichtenden Metall-Halbleiterübergängen in Betracht.The contact layers can be deposited by vapor deposition, if necessary in an electrical field (sputtering) be attached. It is well known that there are many metals, ζ. B. gold, platinum, silver, copper and aluminum K) in order to form rectifying metal-semiconductor junctions.
Die Ausbeute an spannungsabhängiger Widerständen guter Qualität kann durch einige Maßnahmen bei der Herstellung erheblich verbessert werden. ·ι·5The yield of voltage-dependent resistors of good quality can be achieved by taking a few measures manufacturing can be significantly improved. · Ι · 5
Es wurde festgestellt, daß durch Ionenbombardement der Folienoberfläche in einer Gasentladung vor dem Anbringen der Kontaktschicht«;!! Widerstände mit stark verringertem Rauschen erhalten werden können.It was found that by ion bombardment of the film surface in a gas discharge before Applying the contact layer «; !! Resistances with strong reduced noise can be obtained.
Ferner wurde festgestellt, daß eine Formierung der r>o kontaktierten Widerstandsfolie mittels eines Stromstoßes eine günstige Wirkung ausübt. Möglicherweise werden schlechte Stellen in den Widerstanden, die /.. R. durch die Bildung ohmscher Kontakte auf einigen Halbleiterkörnern entstanden sind, durch einen Strom- v, stoß weggebrannt.It was also found that forming the r > o contacted resistance foil by means of a current surge has a beneficial effect. May be bad spots in the resistors that / .. R. caused by the formation of ohmic contacts on some semiconductor grains, be replaced by a current, shock burned away.
Obgleich es möglich ist, die Widerstandsfolie mit einer gleichrichtenden und einer ohnischen Kontaktschicht auszubilden, wird meistens bevorzugt, die Widerstände auf beiden Seiten mit gleichrichtenden wi Kontaktschichien zu versehen, da die einseitige Anbringung ohmscher Kontaktschichten die Herstellung erschwert.Although it is possible to use the resistive foil with a rectifying and an ohnischen contact layer it is usually preferred to use the resistors on both sides with rectifying wi To provide contact layers, since the one-sided application of ohmic contact layers the production difficult.
Die Herstellung von Widerständen nach der Erfindung kann sich z. B. wie folgt vollziehen: <·'> The manufacture of resistors according to the invention can be, for. B. perform as follows: <· '>
Es wird von einem Pulver reinen Galliumphosphids mit einem Zinkzusatz von 5 ppm ausgegangen, wodurch das Pulver p-lcitend ist und einen spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm · cm bei 200C aufweist. Es wird eine Fraktion mit einer Korngröße von 40 bis 60 Jim ausgesiebt.It is understood ppm of a powder of pure Galliumphosphids with a zinc additive of 5, whereby the powder p-lcitend and having a resistivity of 0.3 ohm-cm at 20 0 C. A fraction with a grain size of 40 to 60 Jim is sieved out.
Auf einem Glassubstrat wird eine Schicht eines Kautschukleims angebracht, auf welche die Galliumphosphidkörner gleichmäßig ausgebreitet werden. Nach dem Trocknen unter leichter Erwärmung werden die nicht haftenden Körner mittels eines weichen Pinsels entfernt.A layer of rubber glue is applied to a glass substrate, onto which the gallium phosphide grains are attached be spread evenly. After drying under slight warming, the Non-sticking grains removed with a soft brush.
Darauf wird das Substrat mit den anhaftenden Körnern in eine Lösung polyurethan-bildendcr Bestandteile getaucht. Nach dem Abtropfen wird in der Luft getrocknet und während Ά Stunde auf 150" C in einem Luftstrom erwärmt, um das Polyurethan teilweise zu erhärten.The substrate with the adhering grains is then dissolved in a solution of polyurethane-forming constituents submerged. After dripping off, it is air-dried and at 150 "C for hour in one Airflow heated to partially harden the polyurethane.
Die Folie wird darauf von dem Glassubstrat entfernt und die auf einer Seite vorhandene Leimschichi durch Spülen in einem Gemisch aus Xylen und Benzin gelöst. Darauf wird noch sorgfältig mit einer Seifenlösung, Wasser und Alkohole in dieser Reihenfolge gewaschen und darauf getrocknet.The film is then removed from the glass substrate and the glue layer present on one side through Rinse dissolved in a mixture of xylene and gasoline. It is then carefully treated with a soap solution, Water and alcohols washed in that order and then dried.
Um die Körner auch auf der anderen Folienoberfläche frei zu machen, wird während einiger Minuten mit einer 5% alkoholischen KOH-Lösung geätzt. Darauf wird mit Alkohol und entionisiertem Wassei gewaschen. Nach dem Trocknen wird die Folie während 1,5 Stunden auf 150"C ausgehärtet.In order to expose the grains on the other film surface as well, use for a few minutes a 5% alcoholic KOH solution. This is followed by washing with alcohol and deionized water. After drying, the film is cured at 150 ° C. for 1.5 hours.
Ein Stück der so erhaltenden Folie 1 wird, wie dies schematisch in F i g. 1 der Zeichnung angedeutet ist, zwischen zwei Metallmasken 2 und 3 von 80 ■ 32 mm' festgeklemmt, die mit 40 kreisförmigen öffnungen mit einem Durchmesser von 5 mm versehen sind.A piece of the film 1 thus obtained is, as shown schematically in FIG. 1 of the drawing is indicated, between two metal masks 2 and 3 of 80 ■ 32 mm ' clamped, which are provided with 40 circular openings with a diameter of 5 mm.
Das Ganze wird in einer Metallglocke 4 untergebracht, die nach Entlüftung mit Argon bis /ti einem Druck von etwa 0,1 mbar gefüllt wird.The whole thing is housed in a metal bell 4, which after venting with argon to / ti a Pressure of about 0.1 mbar is filled.
Mittels einer Spannung zwischen den Masken 2,3 und der Glocke 4 wird eine Gasentladung eingeleitet, wodurch die von den Masken frei gelassenen Folienoberflächen einem Ionenbombardement ausgesetzt werden. Bei einem Abstand zwischen den Masken 2, 3 und der Glocke 4 von 200 mm wurde bei einer angelegten Spannung von 500 V die Entladung während 15 Minuten beibehalten.A gas discharge is initiated by means of a voltage between the masks 2, 3 and the bell 4, thereby subjecting the foil surfaces exposed by the masks to ion bombardment will. With a distance between the masks 2, 3 and the bell 4 of 200 mm, a applied voltage of 500 V maintain the discharge for 15 minutes.
Nach erfolgter Abkühlung der FOlie 1, die durch den Ionenbombardement etwas erwärmt worden ist, und nach dem Leeren der Glocke 4 wird mittels der Heizspiralen 5 und 6 Aluminium bis /u einer Schichtdicke von etwa 1 μηι aufgedampft.After the film 1 has cooled down, the Ion bombardment has been warmed up a little, and after emptying the bell 4, the Heating coils 5 and 6 aluminum up to / u a layer thickness of about 1 μηι vapor-deposited.
Nach dem Aufteilen der Folie ergeben sich dann Produkte, die einsprechend der schematischen Durchsehnittsdarsielliing von F i g. 2 aus einer isolierenden Folie 10 bestehen, in der Körner 11 aus Galliumphosphid eingebettet sind und die auf beiden Seiten mit Aluminiumschichleii 12 und 13 versehen ist.After dividing the film, this then results Products, which correspond to the schematic average presentation from F i g. 2 consist of an insulating film 10, in the grains 11 of gallium phosphide are embedded and which is provided on both sides with aluminum layers 12 and 13.
Diese Widerstände, die aus einem Stück von 8 -8 mm-' bestehen, auf dem beiderseits kreisförmige Kontaktschichten von 5 mm Durchmesser vorhanden sind, •verden einem Stromstoß (etwa 1 see) von 200 m/\ zwischen den Kontaktschichten ausgesetzt.These resistors, which are made from a piece of 8 -8 mm- ' consist of circular contact layers on both sides 5 mm in diameter are present, • cause a current surge (approx. 1 see) of 200 m / \ exposed between the contact layers.
Die erhaltenen Widerstände weisen eine Kennlinie nach F i g. 3 auf. Die Nichtlinearität bleibt im Spannungsgebiet zwischen 3 und 5 V sehr hoch, das Rauschen ist niedrig und im Betrieb weisen sie praktisch keine Schwankungen auf.The resistances obtained have a characteristic as shown in FIG. 3 on. The non-linearity remains in the area of tension between 3 and 5 V very high, the noise is low and in operation they show practical no fluctuations.
Die Reproduzierbarkeit ist außerdem sehr gut. Bei einer Belastung mit 10 mA zeigte sich, daß die an zehn Widerständen gemessenen Spannungen zwischen 4,3! und 4,54 V lagen.The reproducibility is also very good. With a load of 10 mA it was found that the ten Resistances measured voltages between 4.3! and 4.54 V lay.
Hierzu 2 Rlatt ZeichnungenFor this 2 Rlatt drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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