DE2042111B2 - Elektronisches festkoerperschaltelement - Google Patents

Elektronisches festkoerperschaltelement

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DE2042111B2 DE19702042111 DE2042111A DE2042111B2 DE 2042111 B2 DE2042111 B2 DE 2042111B2 DE 19702042111 DE19702042111 DE 19702042111 DE 2042111 A DE2042111 A DE 2042111A DE 2042111 B2 DE2042111 B2 DE 2042111B2
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Description

(11) voneinander 500 bis 10000 A beträgt. 35 Es sind verschiedene leitende Materialien bekannt,
7. Elektronisches Festkörperschaltelement nach die in Harz dispergierte feine leitende oder halbleitende Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz Partikeln enthalten, wie Silber, Eisen, Kohleruß oder
(12) im wesentlichen besteht aus: Graphit, wie es aus der deutschen Auslegeschrift 1 ,, , , , , . ... . . . 1005 601 zu ersehen ist. Diese leitenden Materialien
1. chlor- oder bromhaltigem Vinylpolymer wie 40 wurden jedoch nur zur Verwendung als herkömmliche Polyvinylchlorid Polyvinyldenechlond, Poly- ohmsch J widerstände oder spannungsabhängige nichtvinylbromid und Poly-(p-chlorostyren), ohmsche widerstände entwickelt. Sie zeigen keinerlei
2. chlorersetztes Polyolefin, wie chloriertes Poly- Schalteigenschaften. Ihre elektrischen Eigenschaften äthylen und chloriertes Polypropyren, ergeben sich aus dem Kontaktwiderstand von Partikel
3. chloriertem Dienepolymer und 45 zu Partikel oder aus den elektrischen Eigenschaften
4. chlor- oder bromhaltigen Epoxidharzen. der Partikeln selbst in dem Harz.
Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines
8. Elektronisches Festkörperschaltelement nach elektronischen Festkörperschaltelementes, welches Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß einen Zustand hohen Widerstandes und einen Zudas Harz (12) im wesentlichen besteht aus Poly- so stand niedrigen Widerstandes in Abhängigkeit von äthylen, Polystyren, Poly-(methyl-methacrylat), der Spannung an den Elektroden aufweist und welches Polyacetal, Polycarbonat, Polyamid, Polyester, in jeder gewünschten Form hergestellt werden kann, Phenolformaldehydharz, Epoxidharz, Silikonharz, z. B. als großer Film oder als Blatt.
Alkydharz, Polyimidesharz, Phenoxidharz, Poly- Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Festsulfidharz und Polyphenylenoxidharz mit einem 55 körperschaltelement der eingangs genannten Art Gehalt an einer ein niedriges Molekulargewicht gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, aufweisenden Chlor- oder Bromverbindung, wie daß das Material aus in Harz dispergierten feinen chloriertes Paraffin, chlorierter Fettester, chlo- leitenden Partikeln besteht.
rierter Fettalkohol, chloriertes Fettamin, chlorier- Eine Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung
tes Amides, 1,2,3-Tribromopropan, 1,2-Dibromo- 60 besteht darin, daß in dem Harz Chlor- oder Brom-
chloropropan, 1,2,3,4-Tetrabromobutan, 1,2-Di- atome eingebettet sind, wodurch das elektronische
bromo-l,l,2,2-Tetrachloroäthan, Tris-(2-chloro- Festkörperschaltelement eine schnellere Schaltzeit
äthyl)-phosphit und Perchloropentacyclodecan. aufweisen kann.
9. Elektronisches Festkörperschaltelement nach Eine weitere Entwicklung der Erfindung besteht Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die 65 darin, daß die feinen leitenden Partikeln eine durchleitenden Partikeln (11) aus Silberpulver mit einer schnittliche Partikelgröße von 0,1 bis 10 Mikron aufdurchschnittlichen Partikelgröße von 0,2 bis 1 Mi- weisen, wodurch das elektronische Festkörperschaltkron bestehen. element stabile kritische Spannungen aufweisen kann.
3 4
Eine weitere Entwicklung der Erfindung besteht Das Harz 12 hat einen großen Einfluß auf die Zeit darin, daß die feinen leitenden Partikeln einen durch- des Überganges aus dem Zustand des niedrigen sohnittlichen Abstand von 500 bis 10000 A unter- Widerstandes in den Zustand des hohen Widereinander aufweisen, wodurch eine fast ausgezeichnete Standes. Die Übergangszeit kann verkürzt werden, Schultwirkung erreicht wird. 5 wenn in das Harz 12 noch Chlor- oder Bromatome
Dio Erfindung wird an Hand der folgenden Be- eingebettet werden. Dies kann durch Vermisohen des
Schreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung Harzes mit einer Chlor- oder Bromverbindung oder
mit den Zeichnungen näher erläutert, in denen mit Chlor- oder Bromderivativen erreicht werden.
F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungs- Als Harze werden vorzugsweise verwendet: Po yform des elektronischen Festkörperschaltolementes io äthylen, Polystyren, Poly-Cmethyl-methacrylat), Polygemäß der vorliegenden Erfindung ist, acetal, Polycarbonat, Polyamid, Polyester, Phe'101"
F i g. 2 eine Querschnittsansicht einer anderen formaldehydharz, Epoxidharz, Silikonharz, Alkyd-
Ausführungsform eines Schaltelementes gemäß der harz, Polyuräthanharz, Polyimidesharz, Phenoxid-
vorliegenden Erfindung ist, harz, Polysulfidharz und Polyphenylenoxidharz. Diese
F i g. 3 ein vergrößerter Teilquerschnitt durch einen 15 Materialien können allein oder mit einem Zusatz
Körper eines Schaltelements ist und einer ein niedriges Molekulargewicht aufweisenden
F i g. 4 eine graphische Darstellung beispielhafter Chlor- oder Bromverbindung verwendet werden, wie
Spannungs-Strom-Kennlinien eines Schaltelementes chloriertes Paraffin, chlorierter Fettester, chlorierter
gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Fettalkohol, chloriertes Fettamin, chlorinierte Amide,
Unter Hinweis auf die F i g. 1 wird nachstehend 20 1,2,3-Tribromopropan, 1,2-Dibromochloropropan,
ein Schaltelement beschrieben. Das Schaltelement 1,2,3,4-Tetrabromobutan, l,2-Dibromo-l,l,2,2-Tetra-
weist einen leitenden Körper 1 aus in einem Harz chloroäthan, Tris-(2-chloroäthyl)-phosphit und Per-
dispergierten feinen leitenden Partikeln auf. An den chloropentacyclodecan.
entgegengesetzten Seiten des leitenden Körpers sind Im Harz werden vorzugsweise folgende Verbindun-
■ zwei Elektroden 2 und 3 befestigt, an denen zwei 25 gen verwendet:
Leiter 4 und 5 mittels eines geeigneten Verfahrens „ ., , , . u· ir 1 „i„m»
angebracht sind. Die in der F ig. 1 dargestellte Aus- *■ c^ oder bro^alüge Vmgj
führung kann in die in der F i g. 2 dargestellte Aus- vinylchlorid Polyvuiy denechtor d,
führung umgewandelt werden, bei der an einer Seite bromid und Poly-(p-chlorostyren),
des leitenden Körpers 1 zwei Elektroden 6 und 7 ange- 30 2. chlorersetztes Polyolefin, wie chlonniertes 1 oiy-
bracht sind. äthylen und chloriniertes Polypropyren,
Das Schaltelement weist zwei Zustände auf, und 3. chlorinierte Dienepolymere, wie chlorinierter
zwar einen Zustand mit einem hohen elektrischen Naturgummi, und
Widerstand und einen Zustand mit einem geringen 4. chlor- oder bromhaltige Epoxidharze,
elektrischen Widerstand, welche Zustände von der 35
an den beiden Leitern 4 und 5 angelegten Spannung Von diesen verschiedenen Harzen führt chlorinier-
abhängen, wie aus der F i g. 4 zu ersehen ist. Wird die ter Naturgummi zu den besten Ergebnissen,
an dem sich im Zustand des hohen elektrischen Die durchschnittliche Größe der leitenden Partikel
Widerstandes befindenden Schaltelement liegende beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 Mikron. Am besten
Spannung auf einen ersten kritischen Wert 20 erhöht, 40 geeignet ist jedoch eine durchschnittliche Partikel-
so wird der hohe Widerstand des Schaltelementes in größe von 0,2 bis 1 Mikron. Beträgt die durchschnitt-
den niedrigen Widerstand umgewandelt. Eine hierauf liehe Partikelgröße weniger als 0,1 Mikron, so werden
erfolgende Erhöhung der Spannung bewirkt, daß beide kritische Spannungen mit der Betriebszeit un-
durch das Schaltelement ein starker Strom fließt. Der stabil. Beträgt andererseits die durchschnittliche Par-
Anstieg der Stromstärke erfolgt fast linear mit der 45 tikelgröße mehr als 10 Mikron, so weichen die resul-
Erhöhung der Spannung. Wird die Spannung auf tierenden kritischen Spannungen von den Sollspannun-
einen zweiten kritischen Wert 21 abgesenkt, so wird gen weitgehend ab. Die durchschnittliche Partikel-
das Schaltelement aus dem Zustand des niedrigen größe kann bestimmt werden mittels einer Sedimenta-
Widerstandes rasch in den Zustand des: hohen Wider- tionsanalyse oder mittels eines Elektronenmikroskops.
Standes versetzt. Eine weitere Herabsetzung der Span- 50 Die leitenden Partikeln 11 bestehen vorzugsweise
nung bewirkt, daß die Stromstärke fast linear auf den aus Silber, Eisen, Kupfer, Kohleruß und Graphit,
Wert Null absinkt. Bei dem Schaltelement kann die wobei mit Silberpartikeln die besten Ergebnisse
Versetzung des Schaltelementes aus dem Zustand des erhalten werden.
hohen Widerstandes in den Zustand des niedrigen Die F i g. 3 zeigt die feinen leitenden Partikeln 11 Widerstandes und umgekehrt wiederholt durchgeführt 55 im Harz 12 dispergiert. Der Abstand zwischen den werden. einzelnen leitenden Partikeln 11 hat auf die Schalt-Das Schaltelement kann betrieben werden unter wirkung des Schaltelementes einen großen Einfluß. Verwendung einer Kombination aus einer Vorspan- Miteinander in Berührung stehende leitende Partikeln nung und Impulsen. An das Schaltelement wird eine 11 sind am Schaltvorgang nicht beteiligt. Bei einem Vorspannung angelegt, die niedriger ist als die erste 60 größeren Abstand zwischen den Partikeln erhöht sich kritische Spannung 20 und höher als die zweite der elektrische Widerstand des leitenden Körpers i kritische Spannung 21. Wird der Vorspannung ein und damit die erste kritische Spannung. Eine UnterImpuls mit einer die erste kritische Spannung 20 suchung mittels eines Elektronenmikroskops ergab, übersteigenden Spannung überlagert, so wird das daß für die Schaltwirkung ein Abstand von 500 bis Schaltelement aus dem Zustand des niedrigen Wider- 65 10000 Ä geeignet ist. Dieser Abstand ist abhängig Standes rasch in den Zustand des hohen Widerstandes von der durchschnittlichen Größe der leitenden versetzt. Die Impulsdauer beträgt geeigneterweise Partikeln, vom Volumen der leitenden Partikeln in 10"e bis IO-4 Sekunden. bezug auf das Volumen des Harzes und von der Ver-
teilung der leitenden Partikeln im Harz. Der Volumprozentsatz der feinen leitenden Partikeln wird bestimmt durch das spezifische Gewicht der leitenden Partikeln und des Harzes sowie von der durchschnittlichen Partikelgröße. Werden beispielsweise im Harz Silberpartikeln mit einer durchschnittlichen Größe von 0,5 Mikron dispergiert, so beträgt der Volumprozentsatz der Silberpartikeln 20 bis 10% und der des Harzes 80 bis 90°/0- Wird im Harz Kohleruß mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,25 Mikron dispergiert, so beträgt der Volumprozentsatz des Kohlerußes 6 bis 25 °/o und der des Harzes 94 bis 75 %.
Der leitende Körper 1 kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden. Eine bestimmte Menge Harz wird in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst, dessen Menge so bemessen wird, daß die resultierende Lösung eine Viskosität von ungefähr 10 Poise aufweist. Dieser Lösung werden die leitenden Partikeln in der gewünschten Menge zugesetzt, die dem beabsichtigten Volumprozentsatz in bezug auf das Harz entspricht. Das Gemisch wird dann z. B. in einer Kugelmühle zu einer homogenen Paste verarbeitet, in der die leitenden Partikeln gleichmäßig verteilt sind. Die homogene Paste wird dann auf eine als eine Elektrode wirkende geeignete Unterlage aufgetragen und zum Verdampfen des Lösungsmittels erhitzt. Die ausgehärtete Paste wird dann an der einen Seite mit einer weiteren Elektrode z. B. durch Metallniederschlagen im Vakuum oder durch Auftragen einer leitenden Farbe versehen.
Bei einem anderen Verfahren zum Herstellen des leitenden Körpers wird die homogene Paste zum Verdampfen des Lösungsmittels erhitzt. Die erhitzte Paste besteht aus einem homogenen Gemisch aus feinen leitenden Partikeln und einem Harz. Das homogene Gemisch wird zu einer Folie oder zu einer dünnen Platte geformt, die z. B. durch Niederschlagen von Metall im Vakuum oder durch Auftragen einer leitenden Farbe mit Elektroden versehen wird.
Beispiel 1
Eine Reihe von Schaltelementen mit jeweils unterschiedlichem Anteil an leitendem Material wird hergestellt. 1 Gewichtsteil chlorinierter Naturgummi mit einem Gehalt von 68 Gewichtsprozent Chlor wird in 5 Gewichtsteilen Orthodichlorobenzen aufgelöst. In der Lösung wird Silberpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,5 Mikron aufgelöst und zu einer homogenen Paste verarbeitet. Die Gewichtsprozentsätze des Silberpulvers und des chlorinierten Naturgummis betragen 30 bis 80% bzw. 70 bis 30%. Die homogene Paste wird auf eine Aluminiumunterlage aufgetragen und 1 Stunde lang auf 1700C erhitzt. Die erhitzte Paste wird durch Niederschlagen im Vakuum mit zwei Aluminiumelektroden versehen, wie in der F i g. 2 dargestellt. Der leitende Körper 1 weist eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite von 5 mm auf.
ίο Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt 5 mm. An den beiden Elektroden sind zwei Leiter mittels eines geeigneten leitenden Klebstoffes befestigt.
Beträgt die Menge des Silberpulvers in einer Zusammensetzung mehr als 58 Gewichtsprozent, so weist der leitende Körper nur einen geringen elektrischen Widerstand auf, während bei einer weniger als 43 Gewichtsprozent betragenden Menge des Silberpulvers ein isolierender Körper erzeugt wird, der einen hohen
ao elektrischen Widerstand gleich dem des chlorinierten Naturgummis aufweist. Beträgt die Menge des Silberpulvers in einer Zusammensetzung zwischen 43 und 58 Gewichtsprozent, so wird ein Schaltelement erzeugt, das einen Zustand eines hohen Widerstandes und einen Zustand eines geringen Widerstandes aufweist. In der nachstehenden Tabelle 1 sind die elektrischen Eigenschaften von Schaltelementen zusammengestellt.
35
Tabelle 1
Silberpulver
Gewichtsprozent		 Erste kritische
Spannung in Volt		 Elektrischer
Widerstand im
Zustand des niedri
gen Widerstandes
in Ohm
43
50
55
58		 400
100
10
0,5		 5-10e
2-106
8-103
1-103
40
45 Im Zustand des hohen Widerstandes beträgt der elektrische Widerstand dieser Schaltelemente mehr als 109 Ohm.
Beispiel 2
Für die leitenden Partikeln wurden die in der nachstehenden Tabelle 2 angeführten Materialien verwendet:
Tabelle
Material
Silber
Kohleruß
Eisen
Kupfer
Durchschnittliche Paitikelgröße in Mikron
Gewichtsprozent
Erste kritische Spannung in Volt
Elektrischer Widerstand in Ohm
im Zustand des niedrigen Widerstandes .
im Zustand des hohen Widerstandes ...
0,5
55
100
8-108
9,8 · 1010
2· 8,5·
0,25
9,1
35
10«
1Oio
6·
70 50
10s
10"
1,5
1
60
150
108
■1011
Beispiel 3
Die Schaltelemente wurden nach dem im Beispiel 1
beschriebenen Verfahren unter Verwendung der ge- 65
nannten Materialien hergestellt. In der Tabelle 2 sind Bei diesem Beispiel bestanden die leitenden Partikeln die elektrischen Eigenschaften dieser Schaltelemente aus Silberpulver mit einer durchschnittlichen Partikel· ■riisnmmeneestellt. größe von 0,2, 0,5, 1 bzw. 10 Mikron. Die Schalt-
elemente wurden aus dem Silberpulver in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt und wiesen
die in der nachstehenden Tabelle 3 angegebenen elektrischen Eigenschaften auf.
Tabelle
Material Silber Kohleruß Eisen Kupfer
Durchschnittliche Partikelgröße in Mikron
Gewichtsprozentsatz 		0,2
40
20
4-10*
9,5 · 10"		 0,5
50
100
2·10Β
7 · 1010 		1
65
200
5-105
4 · 1011 		10
93
400
7-105
2 · 1010
Erste kritische Spannung in Volt
Elektrischer Widerstand in Ohm
im Zustand des niedrigen Widerstandes
im Zustand des hohen Widerstandes
Beispiel 4
In den in der nachstehenden Tabelle 4 angeführten verschiedenen Harzen wurden Silberpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,5 Mikron dispergiert. Der Gewichtsprozentsatz für das Silberpulver sowie für das Harz betrug 50%. Die verschiedenen Harze wurden in den in der Tabelle 4 angegebenen Lösungsmitteln zu einer Lösung so mit einer Viskosität von ungefähr 10 Poise aufgelöst. Die verschiedenen Schaltelemente wurden in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt. In der Tabelle 4 sind ferner die elektrischen Eigenschaften der fertigen Schaltelemente angeführt.
Tabelle
Harz
Lösungsmittel
Erste
kritische
Spannung
Volt
Elektrischer Widerstand im Zustand
des niedrigen
Widerstandes
Ohm
des hohen
Widerstandes
Ohm
Polyvinyldenchlorid
Chloriniertes Polyäthylen (Chlorgehalt 40°/0)
Polystyren 75 Gewichtsprozent, chloriniertes Paraffin (C24H28Cl121) 25 Gewichtsprozent
Polystyren 90 Gewichtsprozent Methylester von Chlorostearicacid 10 Gewichtsprozent
Polymethalmethacrylat 80 Gewichtsprozent
l^-Bromo-l.l.^-tetrachioroäthan 20 Gewichtsprozent
O-dichlobenzen
Tetrahydrofuran
Toluen
Toluen
Toluen
30
100
50
20
15
3-106 5-10s
2·103
2·103 5·10δ
9 · 1010 7 · 1010
4 · 1010
3 · 10β
5 · 10"
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
20953Oj
2448

Claims (6)

10. Elektronisches Festkörperschaltelement nach Patentansprüche: Anspruoh 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz (12) aus chloriertem Naturgummi besteht.
1. Elektronisches Festkörperschaltelement mit
einem mit zwei Elektroden versehenen Körper aus 5
einem Material, das einen Zustand hohen Widerstandes und einen Zustand niedrigen Widerstandes Diese Erfindung betrifft ein elektronisches Festaufweist und das vom Zustand hohen Widerstandes körperschaltelement mit einem mit zwei Elektroden in den Zustand niedrigen Widerstandes übergeht, versehenen Körper aus einem Material, das einen wenn die an die Elektroden angelegte Spannung io Zustand hohen Widerstandes und einen Zustand einen ersten kritischen Spannungswert überschrei- niedrigen Widerstandes aufweist und das vom Zutet, und das vom Zustand niedrigen Widerstandes stand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen in den Zustand hohen Widerstandes übergeht, wenn Widerstandes übergeht, wenn die an die Elektroden diese Spannung auf einen zweiten kritischen Wert angelegte Spannung einen ersten kritischen Spannungsabgesenkt wird, dadurch gekennzeich- 15 wert überschreitet, und das vom Zustand des niedrigen net, daß das Material aus in Harz (12) disper- Widerstandes in den Zustand hohen Widerstandes gierten feinen leitenden Partikeln (11) besteht. übergeht, wenn diese Spannung auf einen zweiten
2. Elektronisches Festkörperschaltelement nach kritischen Wert abgesenkt wird.
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Es sind Schaltelemente bekannt mit einem Körper
Harz (12) Chloratome eingebettet sind. 20 aus einem glasartigen halbleitenden Material, wie
3. Elektronisches Festkörperschaltelement nach Chalcogenid-, Oxyd-, Bor- und Arsengläser, das einen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zustand hohen Widerstandes aufweist und vom ZuHarz (12) Bromatome eingebettet sind. stand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen
4. Elektronisches Festkörperschaltelement nach Widerstandes übergeht, wenn die an die Elektroden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 25 angelegte Spannung einen ersten kritischen Wert durchschnittliche Partikelgröße der leitenden Par- überschreitet, und vom Zustand niedrigen Widertikeln (11) 0,1 bis 10 Mikron beträgt. Standes in den Zustand hohen Widerstandes über-
5. Elektronisches Festkörperschaltelement nach geht, wenn die Spannung unter einen kritischen Wert Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absinkt. Dieser Stand der Technik geht z. B. hervor leitenden Partikeln (11) aus Silber, Eisen, Kupfer, 30 aus den Physical Review Letters, Bd. 21, 1968, Nr. 20, Kohleruß oder Graphit bestehen. S. 1450 bis 1453. Es ist jedoch schwierig, diese her-
6. Elektronisches Festkörperschaltelement nach kömmlichen Schaltelemente in der Form eines Filmes Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder eines Blattes herzustellen, da sie aus anorganidurchschnittliche Abstand der leitenden Partikeln sehe. Materialien bestehen.
DE2042111A 1969-08-21 1970-08-20 Elektronisches Festkörperschaltelement Expired DE2042111C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP44066982A JPS492950B1 (de) 1969-08-21 1969-08-21

Publications (3)

Publication Number Publication Date
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