DE2003025A1 - Spannungsabhaengiger Widerstand - Google Patents

Description

Dl· Erfindung betrifft einen spannungsabhSngigen Widerstand mit einer ein-korn-dicken Schicht, vorzugsweise aus in einem elektrisch isolierenden Bindemittel eingebetteten und auf beiden Seiten aus dem Bindemittel herausragenden HalbleiterkSrnern, auf welcher Kornschicht auf beiden Seiten eine Elektrodenschioht angebracht ist, welche Elektrodenschichten durch die Kornschicht vollständig voneinander getrennt sind und mit den herausragenden Teilen der Körner einen Kontakt herstellen«

Spannungsabhtngige WideretEnde erwähnter Art sind z.B. aus der amerikanischen Patentschrift 3*210.631 bekannt. Es wird darin ein spannungsabhlngiger Widerstand alt einer eln-korn-dioken Sohioht «aus SiliciuecarbidkiJrnern beschrieben, die in Kunststoff eingebettet

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sind und auf beiden Seiten daraus hervorragen. Diese Kornschicht ist dann auf beiden Seiten mit einer zusammenhangenden Elektrodensohioht überzogen. Zwischen diesen beiden Elektrodensohiohten wird im Betrieb eine Spannung angelegt.

Ein solcher spannungsabhSngiger Widerstand weist innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs bei zunehmender Spannung eine sehr starke nicht lineare Stromzunahme auf. Bei spannungsabhängige η Widerstanden mit einer ein-korn-dioken Schicht erwlhnter Art liegt dieser Spannungsbereioh für eine bestimmte Kernschicht bei verhSltnismlssig niedrigen Spannungswerten, z.B. in der Grössenordnung von einigen Volt.

Die Erfindung bezweokt unter anderem, einen Aufbau eines spannungsabhSngigen Widerstands anzugeben, wobei unter Verwendung einer ein-korn-dicken Schicht die Betriebsspannung, bei der der Widerstand gut brauchbare nicht-lineare Eigenschaften aufweist, erheblioh höher ist als bei den beschriebenen bekannten Widerstanden.

Die Erfindung bezieht unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei einem spannungsabhängigen Widerstand mit einer ein-korn-dioken Sohioht aus in einem Isoliermaterial eingebetteten Körnern duroh Anwendung von Elektrodensohiohten besonderer Bauart die Betriebsspannung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Befeatigungsstelle der Ansohlussleiter im Vergleioh zu dem bei den bekannten Widerstanden erzielten Wert erheblioh erhöht werden kann, wobei ausserdem Abzweigungen an dem ipannungsabhängigen Widerstand angebraoht werden können.

Ein spannungsabhlngiger Widerstand der eingangs erwähnten Art ist naoh der Erfindung daduroh gekennzeichnet, dass Jede der Elektrodensohiohten eine Anzahl in einsr oder mehreren Reihen angeordneter inseifHrmiger Gebiete aufweist, wobei von j*dei 3eJ..V mindesten· eine

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Insel zwei aufeinanderfolgende, einer zweiten Reihe zugehörende Inseln auf der gegenüber liegenden Seite der Kornschicht teilweise überlappt und mindestens zwei den erwähnten Reihen zugehörende Inseln mit einem Anschlussleiter versehen sind, so dass zwischen diesen Anschlussleitern alle Teile der Kornschicht zwischen den überlappenden Teilen der zwischen den Anschlussleitern liegenden Inseln miteinander in Reihe geschaltet sind.

Die vorliegende Erfindung hat unter anderem den wesentlichen Vorteil, dass die guten, reproduzierbaren nicht-linearen Eigenschaften, die über die Sicke eines Kornes bei einer verhältnismfissig niedrigen Spannung erzielt werden, benutzt werden können, um eine sehr gute nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie bei höheren Spannungen zu erhalten. Wenn erfindungsgemSss eine Anzahl ein-korn-dicker, in der Schichtrichtung elektrisch gegeneinander isolierter Gebiete in Reihe geschaltet werden, kann sich eine bedeutend bessere Kennlinie ergeben als bei Verwendung z.B. einer Kornschicht mit einer Dicke mehrerer Körner, da bei einen spannungsabhängigen Widerstand nach der Erfindung

Übergänge zwischen Körnern untereinander mit nachteiligen und schlecht reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften nicht auftreten.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist der, dass an einem spannungsabhangigen Widerstand nach der Erfindung Abzweigungen angebracht werden können, was bei den erwähnten bekannten spannungsabhängigen Widerstanden im allgemeinen nicht möglich ist. Zu diesem Zweck können eine oder mehrere der übrigen, zwischen den erwähnten Anechluealeitern liegenden Inseln mit einem weiteren Anechlueeleiter versehen werden« Die Anechlussleiter können z.B. die Form auf der Kornschioht angebrachter Metallstreifen haben, die gewünschtenfalls

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mit einem etwaigen, auf der Kornsohicht vorhandenen Elektrodensystem verbunden werden können. Auf diese Weise können auf einer Kornschicht zusammengesetzte Schaltungen erhalten werden.

Es sei bemerkt, dass die erwähnten Reihen von Inseln nioht gradlinig zu sein brauchen, sondern auch längs gekrümmter oder geknickter Linien verlaufende Reihen aufeinanderfolgender Inseln bilden können· Wenn eine Elektrodenschteht durch mehr als eine Reihe von Inseln gebildet wird, kann die Reihenschaltung von Kornschichtteilen in einer Reihe z.B. mit der Parallelschaltung von Reihen oder von Reihenteilen unterander kombiniert werden.

Die Körner können aus Siliciumcarbid oder anderen geeigneten Materialien, vorzugsweise Halbleitermaterialien, bestehen, die mit den darauf angebrachten Elektrodenschichten spannungsabhängige Widerstände mit guten Kennlinien bilden. Sehr gute nicht-lineare Kenn·· linien werden mit Körnern erzielt, die aus z.B. mit Zink dotiertem Galliumphosphid oder aus η-Typ Silicium bestehen. Die Körner können homogen sein, in welchem Falle die nioht lineare Strom-Spannungskennlinie durch die Metall-Halbleiter-TTbergänge zwischen Körnern und Elek- trodensohiohten erhalten wird. In einer anderen bevorzugten Ausführung·? form werden vorteilhaft Halbleiterkörner verwendet, die eine pnp- oder npn-Struktur aufweisen, wobei die beiden Gebiete des gleichen Leit» fähigkeitstyps auf gegenüberliegenden Seiten der Kornschicht mit einer Elektrodensohicht in Berührung sind. Es tritt dabei zwlaohen auf beiden Seiten der Kordschicht liegenden Elektrodensohlohitn in beiden Riohtugen eine Durchschlagspannung auf, die duroh die in den Körnern vorhandenen pn-Übergänge bestimmt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungafom sind bei

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einen spannungsabhangigen Widerstand nach der Erfindung eine gerade Anzahl zwischen sioh überlappenden Inseln liegender Teile der Kornschicht zwischen zwei Anschlussleitern in Reihe geschaltet. Diese Ausführungsform ist besondere vorteilhaft, wenn die zwischen zwei auf beiden Seiten der Kornschicht einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten gemessene Strom-Spannungskennlinie asymmetrisch ist, was weiter unten ηEher erläutert wird·

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, in der

Fig· 1 echematisch eine Draufsicht auf einen spannungsabhSngigen Widerstand nach der Erfindung!

Fig» 2 schematißoh einen Querschnitt durch den Widerstand nach Fig· 1 längs der Linie II-II,

Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch einen Teil dea Querschnitt·· nach Fig. 2,

Fig. 4 Strom-Spannungekennlinien de· Widerstandes nach den Fig. 1 bis 3 und

Fig* 5 sohematiaoh einen Querschnitt durch einen Teil eine· spannungsabhängig·η Widerstands naoh der Erfindung mit Körnern einer pnp-Struktur zeigen*

Sie Figuren sind sohematiaoh lind nicht maastÄblioh und insbesondere sind die Aba·«sung·η in der Diokenrichtung deutlichkeitshalber etark Übertrieben dargestellt. Sioh entsprechende Teile sind in d«n Figuren alt den gleioh«n Besugssiffern bezeiob.net·

Der In den Fig. 1 bi· 3 dargestellt· Widerstand «nthtlt •in· ein-korn-diok· Kornaohioht 1 alt Körnern 2 einer Dioke von 40 bi· (ei»h· Fif. 3) au· Oalllumphosphid dotiert ait 5.1O*"⁴ Q.wioht·-

proi«nt Zink» Si« Körner 2 »ind in einem elektrlaoh isolierenden Binde-

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mittel 3 aus Polyurethan eingebettet, wobei die Körner auf beiden Seiten der Schioht 3 aus dem Bindemittel he»auβrageη (siehe Fig, 3). Die Kornechioht kann z.B. durch eines der Verfahren nach der franzSsisohen Patentschrift 1*519*072 hergestellt werden.

Auf der Kornsohioht 1 ist auf einer Seite eine Aluminiumelektrodensohioht 4 Bit einer Dicke von etwa 1^n angebracht* Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine Shnliohe Elektrodenschioht 5 angebracht* Die Elektrodensohiohten 4 und 5 sind durch die Kornsohioht 1 vollständig voneinander getrennt und bilden einen Kontakt mit den au· dem Bindemittel 3 hervorragenden Teilen der Körner 2,

Die Elektrodenschichten 4 und 5 (siehe Fig* 1) enthalten je zwei Reihen ineelartiger Gebiete 4A, B usw* bzw* 5A, B uew, Di· Abmessungen der quadratischen Inseln sind etwa 4»5 x 4t5 Bm* In Fig. 1 •ind die Umrisse der auf der Kornsohioht 1 liegenden Metallsohiohten duroh volle Linien und die der unter der Kornsohioht liegenden Metall-•ohiohten 5 gestriohelt angedeutet*

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt duroh zwei auf einander

) gegenüberliegenden Seiten der Kornsohihht liegende Reihen von Inseln 4A bis F.und 5A bis F. Die Inseln 4B bis 4F überlappen dabei je zwei aufeinanderfolgende der zweiten Reihe auf der gegenüberliegenden Seit« der Kornaohioht zugehBrende Inseln 5A bis F teilweise. Umgekehrt überlappen die Inseln 5A bis S Je teilweise zwei der gegenüberliegenden Inseln 4A bii 4*.

Die Inseln 4A und 5F sind mit Ansohlussleitern 6 und 7 versehen (siehe Fig. 1). Diese Ansohlussleiter werden in diesem Bei« spiel duroh auf der Kornsohioht liegende, mit den Inseln verbundene Aluminiumsohiohten gebildet» Sie Ansohlussleiter k8r>-«n Jedooh aueh

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durch mit einer Insel verbundene, nicht auf der Kernschicht liegende Anschlussdrähte gebildet werden· Aus den Figuren zeigt sich (siehe Fig. 2), dass zwischen den Anschlussleitern 6 und 7 alle Teile θ der Kernschicht 1 (insgesamt elf) zwischen den überlappenden Teilen der zwischen den Ansohlussleitern 6 und 7 liegenden Inseln 4A bis 5F miteinander in Reihe geschaltet sind·

Auf jeder Seite der Kornschicht haben die beiden Reihen von Inseln eine Insel (4A bzw· ^F) gemeinsam· Zwischen den Anschlussleitern 6 und 7 sind somit zwei Reihen in Reihe geschalteter Gebiete θ parallel zueinander gelegt. Wenn zwischen den Anschlussleitern 6 und eine Spannung angelegt wird, beträgt die Spannung Ober jedem der Gebiete 8 somit i/i1-tel der Gesamtspannung zwischen den Anschlussleitern 6 und 7·

Fig· 4 zeigt vergleichsweise die Stroa-Spannungskennlinie (a), die zwischen den Anschlussleitern 6 und 7 gemessen wird, und die StroB-Spannungekennlinie (b), die an einem einzelnen Gebiet 8 gemessen wird (Fig· 2), das zwisohen einander gegenüberliegenden Inseln liegt. Es wird einleuchten, dass die Betriebsspannung ein beliebiges Vielfaches der Betriebsspannung betragen kann, die ein spannungsabhängiger Widerstand erhalten kann, der nur ein Bebiet θ aufweist, entsprechend der Anzahl zwischen den Leitern 6 und 7 vorhandener Inseln*

Die nicht-linearen Widerstandekennliai·* naoh Fig. 4 werden infolge der nicht-linearen KontaktUbergSnge zwischen den Elektroden· ohichten und den Galliuaphosphid-KSrnern erhalten. Ein wesentlicher Vorteil des spannungsabhangigen Widerstand· naoh der Erfindung besteht darin, da·· auoh bei Reihenschaltung mehrerer ein-korn-dioker Gebiete β der Gesamtwiderstand praktisch nur durch diese Metall- Halb-

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leiter-übergänge bestimmt wird, wobei übergänge zwischen den Körnern

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untereinander vermieden werden, welche UbergSnge die Reproduzierbarkeit beeintrfichtigen können.

In der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 ist (siehe Fig. 1) eine der zwischen den Leitern 6 und 7 liegenden Inseln 4H mit einem weiteren Anschlussleiter 9 in Form einer Metallspur versehen. Dieser Leiter 9 bildet einen Abgriff des spannungsabhSngigen Widerstände zwischen den Leitern 6 und 7 und ist mit einer Metallschicht 10 eines weiteren auf der Kornschicht vorhandenen Elektrodensystems verbunden. I© dieser AusfUhrungsform wird das Elektrodensystem durch einen anderen spannungsabhSngigen Widerstand gebildet, der aus der Metallschicht 10, einer auf der anderen Seite liegenden Metallschicht 11 und dem zwischen den Schichten 10 und 11 liegenden Teil der Kornschicht 1 besteht. Auf diese Weise ergibt sich auf ein und derselben Kornschicht 1 eine zusammengesetzte Schaltung, von der die Fig. 1 bis 3 einen Teil darstellen.

Nicht nur aus Galliumphosphid sondern auch aus (vorzugsweise η-leitendem) Silicium können die Körner hergestellt werden,

mittels dessen auch Metall-Halbleiter-UbergSrige mit sehr guten Strom-Spannungskennlinien erhalten werden können.

Der besr-hr: ν bene Widerstand kann dadurch hergestellt werden, dass eine ein-ktrii-d icke Schicht mit auf beiden Seiten aus dem Bindemittel herausrn^enden Körnern einem Ionen- oder Elektronenaufprall unterworfen wird, worm.' die Aluini niumschichten 4 und 5 mitte] π einer Maske aufgedampft weiden, um tue untersohiedlirhen Inseln und Metall— bahnen zu bilden. N;i''ii ii< r Formierung, den Kon t.al< tes; zwischen di η Körnern und ϊ»μ· Al mni niwninchi ch t mittel a einen Kurzen Stroms-tor-^ps

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durch die Kornschicht zwischen den Aluminiumschichten 4 und 5 ergibt sich die erwünschte Strom-Spannungskennlinie. Darauf werden an den betreffenden Stellen Zu- und Abfuhrdrähte angebracht, worauf das Ganze gewünschtenfalls in einer angemessenen Hülle untergebracht wird.

Pig. 5 zeigt schematisoh im Querschnitt einen Teil einer anderen Ausführungsform des spannungsabhängigen Widerstandes nach der Erfindung. Dabei ergibt sich die nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie durch in den Körnern vorhandene pn-Ubergänge* Die Körner bestehen in dieser Ausführungsform aus Silicium und enthalten einen hoch-dotierten p-Typ Kern 22, der teilweise von einer η-Typ Schicht 26 und einer p-Typ Schicht 27 umgeben ist. Die Aluminiumelektrodenschicht 24 bildet einen praktisch ohmschen Kontakt mit dem Kern 22 und die Aluminiumelektrodenschicht 25 bildet einen praktisch ohmechen Kontakt mit der äusseren p-Typ Schicht 27» Der spannungsabhängige Widerstand ist im übrigen entsprechend Fig. 2 aufgebaut; Fig. 5 zeigt nur einen Teil eines der zwischen überlappenden Inseln liegenden Kornschichtgebiete 8 (sihhe Fig. 2).

In dieser Ausführungsform haben die Körner je einen pn-

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Übergang 28 zwischen den Gebieten 22 und 26 und einen pn-TJbergang 29

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zwischen den Gebieten 26 und 27. Wo diese pn-Ubergänge die Oberfläche der Körner schneiden, sind sie mit Teilen 30 des Bindemittels 23 überdeckt.

Da die pn-Ubergänge 26 und 29 im allgemeinen nicht die gleiche Durchschlagspannung aufweisen, ergibt sich bei Verwendung einer einzigen ununterbrochenen Elektrodensohicht auf beiden Seiten der Korneohioht ein spannungsabhängiger Widerstand mit einer asymmetrischen •Strom-Spannungskennlinie. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung der

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Erfindung bei dieser Ausführungsform besteht daher darin, dass bei Verwendung von Körnern, die je eine asymmetrische ripn- bzw, pnp-Struktur aufweisen, dennoch ein spannungsabhängiger Widerstand mit einer symmetrischen Strom-Spannungskennlinie erhalten werden kann, sofern dieser spannungsabhängige Widerstand die Reihenschaltung einer geraden Anzahl von Gebieten 8 enthSlt (siehe Fig. 2). Dieser Vorteil gilt auch im Falle von homogenen Kb'rnern mit Metall-Korn-Übergängen (Schottky-Ubergängen) mit beiderseits der Schicht verschiedenen Strom-Spannungskennlinien.

Die Kornschichtstruktur nach Fig, 5 kann auf Basis von P-Typ Körnern erhalten werden, in die auf in der Halbleitertechnik allgemein übliche Weise eine η-Typ Schicht 26 und eine p-Typ Schicht 2^ diffundiert werden.

Darauf wird aus diesen Körnern in an sich bekannter Weise eine ein-korn-dicke Schicht hergestellt, wobei die Körner beiderseits aus dem Bindemittel 33 herausragen, worauf auf einer Seite der Schioht

duroh Atzen der Kern 22 der Körner zur Kontaktherstellung freigelegt wird und die Elektrodenschichten angebracht werden.

Es wird einleuchten, dass die vorliegende Erfindung sioh nicht auf die erwähnten Ausführungsformen beschränkt und dass innerhalb des Rahmens der Erfindung dem Fachmann viele Abarten zur Verfugung stehen. Es können namentlich andere Kornmaterialien und andere Materialien für die Elektrodensohichten benutzt werden.

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Claims (8)

1. TENTANSPRTJCH Ej

   Spannungsabhangiger Widerstand mit einer ein-korn-dicken Kornschicht mit vorzugsweise halbleitenden Körnern, die in einem elektrisch isolierenden Bindemittel eingebettet sind und beiderseits aus dem Bindemittel herausragen, auf welcher Kornschicht beiderseits eine Elektrodenschicht angebracht ist, welche Elektrodenschichten durch die Kornschicht vollständig voneinander getrennt sind und mit den heraueragenden Teilen der Körner einen Kontakt herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektrodenschichten eine Anzahl in einer oder mehreren Reihen angeordneter inselartiger Gebiete aufweist, wobei von jeder Reihe mindestens eine Insel zwei aufeinanderfolgende einer zweiten Reihe zugehörende Inseln auf der gegenüberliegenden Seite der Kornschicht teilweise überlappt und wobei mindestens zwei den erwähnten Reihen zugehörende Inseln mit einem Anschlussleiter versehen sind, so dass zwischen diesen Anschlussleitern alle Teile der Kornschicht zwischen den überlappenden Teilen der Inseln zwischen den Anschlussleitern miteinander in Reihe geschaltet sind.
2. 2. Spannung-sabhän^i c^er Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zwischen den erwähnten Anschlussleitern liegenden Inseln mit einem weiteren Anschluss]eiter versehen ist,
3. 3. Spannungsabhangiger Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Anschlussleiter durch einen auf der Kornschicht angebrachten Metallstreifen gebildet wird.
4. 4. SpannungsabhSngiger Widerstand nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der erwfihnte Metallstreifen mit einem weiteren auf der Kornschicht vorhandenen inektrodenpyntem verbunden irt«

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5. 5. Spannungsabhängiger Widerstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner aus Galliumphosphid bestehen.
6. 6. Spannungsabhängiger Widerstand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, dass die Körner aus Silicium vorzugsweise η-leitendem Silicium bestehen.
7. 7. Spannungsabhängiger Widerstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner eine npn- oder pnp-Struktur aufweisen, wobei die beiden Gebiete des gleichen Leitfähigkeitstyps auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kornschicht mit einer Elektrodenschicht in Berührung sind,
8. 8. Spannungsabhängiger Widerstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Anschlussleitern eine gerade Anzahl zwischen überlappenden Triieln liegender Teile der Kornschicht in Reihe o-c:".lte t j nt»

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   A u s z u ff;

   Spannungsabhängiger Widerstand mit einer ein-korn-dicken Kornschicht mit Elektrodenschichten, die mit den Körnern einen Kontakt herstellen, wobei die Elektrodenschichten in einem Muster beiderseits der Schicht liegender, sich teilweise überlappender Inseln angeordnet sind, wodurch gegeneinander isolierte Teile der Kornschicht in Reihe geschaltet werden können.

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