DE2042111C3 - Elektronisches Festkörperschaltelement - Google Patents

Elektronisches Festkörperschaltelement

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DE2042111C3
DE2042111C3 DE2042111A DE2042111A DE2042111C3 DE 2042111 C3 DE2042111 C3 DE 2042111C3 DE 2042111 A DE2042111 A DE 2042111A DE 2042111 A DE2042111 A DE 2042111A DE 2042111 C3 DE2042111 C3 DE 2042111C3
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Description

(11) voneinander 500 bis 10600 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
1 005 601 zu ersehen ist. Diese leitenden Materialien
1. chlor- oder bromhaltigem Vinylpolymer, wie 40 wurden jedoch nur zur Verwendung als herkömmliche Polyvinylchlorid, Polyvmyldenechlond, Poly- ohmsche Widerstände oder spannungsabhängige nichtvmylbromid und Poly-(p-chloroslyren), 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 Festkörperschaltelermsntes, welches Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß einen Zustand hohen Widerstandes und einen Zudas Harz (i2) im wesentlichen besteht aus Poly- 50 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 Bromchloropropan, 1,2,3,4-Tetrabromobutan, 1,2-Di- atome eingebettet sind, wodurch das elektronische bromo-l.l^^-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 Siiberpulver 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.
Fine weitere Entwicklung der Erfindung besteht
. faQ die feinen leitenden Partikeln einen durch-
h ttlichen Abstand von 500 bis lOCOOA unter-
• nder aufweisen, wodurch eine fas*, ausgezeichnete
Shaltwirkung erreicht wird.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Be-
eibung von Ausführungsbeispielen in »/erbind ung
den Zeichnungen näher erläutert, in denen
p; g χ eist Querschnittsansicht einer Ausführung*-
rm des elektronischen Festkörperscnaltelementes
äß der vorliegenden Erfindung ist, en: B 2 eine Quetschnittsansicht einer anderen λ fiihrunesform eines Schaltelementes gemäß der rl eeenden Erfindung ist,
Fic 3 ein vergrößerter Teilquerschnitt durch einen tfvner eines Schaltelemente ist und
Fie 4 eine graphische Darstellung beispielhafter c nnunes-Strom-Kennlinien eines Schaltelementes
SR der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Hinweis auf die F i g. 1 wird nachstehend
■ Schaltelement beschrieben. Das Schaltelement
st einen leitenden Körper 1 aus in einem Harz
Lnpreierten feinen leitenden Partikeln auf. An den
ntecgengesetzten Seiten des leitenden Körpers sind
zwei Elektroden 2 und 3 befestigt, an denen zwei
Leiter 4 und 5 mittels eines geeigneten Verfahrens Das Harz 12 hat einen großen Einfluß aul die Zeit des Überganges aus dem Zustand des niedrigen Widerstandes in den Zustand des hohen Widcr-Standes. Die Übergangszeit kann verkürzt werden, wenn in das Harz 12 noch Chlor- oder Bromatome eingebettet werden. Dies kann durch Vermischen des Harzes mit einer Chlor- oder Brom verbindung oder mit Chlor- oder Bromderivativen erreicht werden.
Als Harze werden vorzugsweise verwendet: PoIyäthylen, Polystyren, Poly-(methyl-methacrylat), PoIyacetal, Polycarbonat, Polyamid, Polyester, Phenolfoemaldehydharz, Epoxidharz, Silikonharz, Alkydharz, Polyuräthanharz, Polyimidesharz, Phenoxidharz, Polysulfidharz und Polyphenylenoxidharz. Diese Materialien können allein oder mit einem Zusatz einer ein niedriges Molekulargewicht aufweisenden Chlor- oder Bromverbindung verwendet werden, wie chloriertes Paraffin, chlorierter Fettester, chlorierter Fettalkohol, chloriertes Fettamin, chlorinierte Amide, 1,2,3-Tribromopropan, 1,2-Dibromochloropropan, 1,2,3,4-Tetrabromobutan, l,2-Dibromo-l,l:2,2-Tetrachloroäthan, Tris-(2-chloroäthyl)-phosphit und Perchloropentacyclodecan.
Im Harz werden vorzugsweise folgende Verbindungen verwendet:
χ ^^ ^ bromhaUi vorpolymere, wie Poly-
3.
Ss Schaltelement weist zwei Zustände auf, und zwar einen Zustand mit einem hohen elektrischen Widerstand und einen Zustand mit einem geringen plpktrischen Widerstand, welche Zustände von der tden beiden Leitern 4 und 5 angelegten Spannung ahhäneen wie aus der F i g. 4 zu ersehen ist. Wird die Ϊ dem steh im Zustand des hohen elektrischen W.de sTandes Windenden Schaltelement liegende SDannung auf einen ersten kritischen Wert 20 erhöht, so w."dTr hohe Widerstand des Schaltelementes in den η edrigen Widerstand umgewandelt. Eine hierauf erfoSe Erhöhung der Spannung bewirkt, daß H rch das Schaltelement ein siarker Strom fließt. Der Anfieg der SUomstärke erfolgt fast linear mit der Erho ung der Spannung. Wird die Spannung auf einen leiten kritischen Wert 21 abgesenkt, so wird a» Schiuelement aus dem Zustand des niedrigen WWer tande Tasch ?„ den Zustand des hohen Wider-Indes versetzt. Eine weitere Herabsetzung der Spannunfbewirkt daß die Stromstärke fast linear auf den Wert νΪ absinkt Bei dem Schaltelement kann die des Schaltelementes aus dem Zustand des
3. chlorinierte Dienepolymere, wie chlonnierter Naturgummi, und
4, chlor- oder bromhaltige Epoxidharze.
Von diesen verschiedenen Harzen fuhrt chlonniertcr Naturgummi zu den besten Ergebnissen.
Die durchschnittliche Größe der leitenden Partikel beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 Mikron Am bejen geeignet ist jedoch eine durchschnittliche Partikegröße von 0,2 bis 1 M.kron. Betr^d.e durchschnitN liehe Partikelgröße weniger als 01-Mikron so we rden beide kritische Spannungen m.t der Betnebsze.tun-
stabil. Beträgt andererse.ts die duichschn.ttliche Patikelgröße mehr als 10 Mikron, so weichen d«M«ul· Irrenden knt.schen Spannungen von den Sollspannim
gen weitgehend ab. Die durchschn.tthche Partikel größe kann best.mmt werden mittels einer Sedimentiüonsanalyse oder mittels eines EleklronenmjknMkojg
Die leitenden Part.keln »bes ^
aus Silber, Eisen, Kupfer, Kohleruß und Grap wobei mit Silberpartikeln die besten Ergebnisse erhalten werden.
D "'Schaltelement kann betrieben werden unter s^jSttSS
wirkung des Schaltelementes einen großen Einfluß
iÄ ϊ
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 Silberparlikein 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% 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 wire'., 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 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
as einen Zustand eines geringen Widerstandes aufweist. In der nachstehenden Tabelle 1 sind die elektrischen Eigenschaften von Schaltelementen zusammengestellt.
Tabelle 1
ele Bei
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		 5-10"
2-106
8-103
1-103
Im Zustand des hohen Widerstandes beträgt der elektrische Widerstand dieser Schaltelemente mehr als 10" Ohm.
Beispiel 2
Für die leitenden Partikeln wurden die in der nachstehenden Tabelle 2 angeführten Materialien verwendet:
ve] du Sp1 pu
P< C P P
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
8-103
9,8 · 1010
2·
8,5·
0,25
9,1
35
10"
1010
70 50
6·10Β
1 · 10"
1,5
1
60
150
10B
10"
Die Schaltelemente wurden nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren unter Verwendung der genannten Materialien hergestellt. In der Tabelle 2 sind die elektrischen Eigenschaften dieser Schaltelemente zusammengestellt.
Beispiel 3
Bei diesem Beispiel bestanden die leitenden Partikeln aus Silberpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße 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*
9,5-1010 		0,5
50
100
2-105
7 · 1010 		1
65
200
5-105
4· 10n 		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
Die verschiedenen Harze wurden in den in der Tabelle 4 angegebenen Lösungsmitteln zu einer Lösung In den in der nachstehenden Tabelle 4 angeführten 20 mit einer Viskosität von ungefähr 10 Poise aufgelöst, verschiedenen Harzen wurden Silberpulver mit einer Die verschiedenen Schaltelemente wurden in der im durchschnittlichen Partikelgröße von 0,5 Mikron di- Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt. In dei spergiert. Der Gewichtsprozentsatz für das Silber- Tabelle 4 sind ferner die elektrischen Eigenschafter pulver sowie für das Harz betrug 50%· der fertigen Schaltelemente angeführt.
Tabelle
Harz
Lösungsmittel
Erste
kritische
Spannung
Volt
Elektrischer Widerstand im Zustand
des niedrigen
Widerstandes
Ohm
des hohen
Widerstandes
Ohm
Polyvinyldenchlond j O-dichlo-
i benzen Chloriniertes Polyäthylen (Chlorgehalt 40%)
Polystyren 75 Gewichtsprozent, chloriniertes Paraffin (C24H29Cl21) 25 Gewichtsprozent
Polystyren 90 Gewichtsprozent Methylester von Chlorostearicacid 10 Gewichtsprozent
Polymethalmethacrylat 80 Gewichtsprozent
l^-Bromo-l^^-tetrachioroäthan 20 Gewichtsprozent
Tetrahydrofuran
Toluen
Toluen Toluen
30 100
50
20 15
3-105 5·
2-103
2-103 5-105
9.IO10 7 · 1010
4 · 1010
3-109
5 · 1010
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

10. Elektronisches FestkörperschaltfJement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ^ (J2) aus chloriertem Naturgummi besteht.
1. Elektronisches Festkörperschaltelement mit
einem mit zwei Elektroden versehenen Körper aus 5
einem Material, das einen Zustand hohen Wider- u^-nt, «;n «!»L-ti-nn;».!.,» c
«andes und einen Zustand niedrigen Widerstandes D.ese Erfindung betrifft can e ektronisches Fest-
«ufweist und das vom Zustand hohen Widerstandes körperschaltelement mit emem nut zwe Elektroden in den Zustand niedrigen Widerstandes übergeht, versehenen Körper aus einem Matenal da^ e,nen wenn die an die Elektroden angelegte Spannung xo Zustand hohen Widerstandes und einen Zustand einen ersten kritischen Spannungswert überschrei- niedrigen Widerstandes aufweist und das vom Zulet, 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-ij wert überschreitet und das vom Zustand des niedrigen ■ et, 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 zwe.ten
2. Elektronisches Festkörperschaltelement nach kritischen Wert abgesenkt w/rd.
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Es sind Schaltelemente bekannt mit einem Körper
Harz (12) Chloratome eingebettet sind. ao aus einem glasartigen halbierenden Matenal, wie
3. Elektronisches Festkörperschaltelemenl nach Chalcogenid-, Oxyd-, Bor- und Arsenglaser 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 as angelegte Spannung einen ersten kritischen Wert durchschnittliche Partikelgröße der leitenden Par- überschreitet, und vom Zustand niedrigen Widerlikeln (11) 0,1 bis 10 Mikron beträgt. Standes in den Zustand hohen Widerstandes uber-
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 sehen Materialien bestehen.
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