DE2105437C3 - Elektronisches Festkörperbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Festkörper aus einem unterhalb eines Spannungsschwellwertes einen hohen Widerstand und halbleitende Eigenschaften und oberhalb des Spannungsschwellwertes einen kleinen Widerstand und eine negative Widerstandscharakteristik aufweisenden Material, das Seltene Erden enthält.

Das Festkörperbauelement ist insbesondere dazu bestimmt, an Stelle von Trigger- oder Tunnel-Dioden eingesetzt zu werden. Tunnel-Dioden dienen, soweit ihre negative Widerstandscharakteristik ausgenutzt wird, beipielsweise als ohmsche Kompensationselemente, die beispielsweise bei der Entdämpfung von Resonanzkreisen bei Schwingungsgeneratoren verwendet werden. Symmetrische Trigger-Dioden, die auch als Diac bezeichnet werden, werden vielfach als elektronische Schalter, beispielsweise in Ansteuerungskreisen von Thyristoren und sogenannten Triacs, wie sie z. B. für Lichtregler-Schaltungen, Motor-KontroIlschaltungen benutzt werden, angewendet.

Für bekannte Halbleiterdioden, die als Diac oder Tunnel-Diode verwendbar sind, wurden Einkristalle aus Silizium oder Germanium verwendet. Dabei wird durch Einbau von Fremdatomen, der sogenannten Dotierung, in das Halbleiterkristallgitter infolge Elektronenüberschüsse eine Elektronenleitfähigkeit /1 erzeugt. Durch Einlagerung eines anderen Elements, das als Akzeptor bezeichnet wird, wird eine Leitfähigkeit ρ durch positive Ladungszustände infolge Elektronenmangels erzeugt. Um die gewünschte Spannunqscharakteristik zu erhalten, werden beide Maßnahmen in einem Kristall so angewendet, daß an einer Grenzfläche p- und «-leitende Gebiete zusammenstoßen.

Bei Tunnel-Dioden wird ein Silizium-Einkristall verwendet, der einen hochdotierten p-H-Ubergang aufweist. Dabei kommt die negative Widerstandscharakteristik der Tunnel-Diode nach Überschreiten einer vorgegebenen Spannung, der Schwellenspannung, dadurch zustande, daß mit wachsender Spannung durch Anheben des Leitungsbandes des /i-Halbleiters eine anwachsende Zahl von Elektronen dem sogenannten verbotenen Band des p-Halbleiters gegenüberstehen. Sie können dieses Band daher nicht mehr durchlunneln. Daher wird mit wachsender Spannung U der durch den p-n-Übergang fließende Strom / kleiner. Daraus ergibt sich eine fallende Kennlinie, die einem negativen differentiellen Widerstand r = ^j- entspricht. Der Spannungsschwellwert liegt dabei im allgemeinen zwischen 35 und 300 mV.

Eine symmetrische Trigger-Diode, die auch mit Diac bezeichnet wird, ist ein bidirektionaler Schalter mit zwei Anschlüssen. Sie wird aus zwei antiparallel geschalteten Vierschichtdioden gebildet. Diese Diode weist einen hohen Widerstand auf, so daß nur ein geringer Reststrom hindurchgelassen wird, bis die angelegte Spannung den Spannungsschwellwert, der etwa bei 35 V liegt, erreicht. Die Schwellenspannung bei einem Diac ist nur in Grenzen veränderlich. Oberhalb des Spannungsschwellwertes weist der Diac eine negative Widerstandscharakteristik auf. Die Spannung wird also kleiner, wenn der Strom ansteigt. Die Einschaltzeit beträgt dabei etwa 0,2 fisec. Die Löschzeit ist erheblich länger. Sie beträgt einige nsec.

Der Nachteil der bisher bekannten Diacs und der Tunnel-Dioden besteht darin, daß zu ihrer Herstellung ein Einkristall aus Silizium oder aus Germanium erforderlich ist und die Herstellung eines solchen Einkristalls mit hohem Kostenaufwand verbunden ist. Hinzu kommt, daß die Bildung von p- und «-Zonen durch Diffusion von Donatoren und Akzeptoren zu einem umständlichen Aufbau und somit zu einer weiteren Verteuerung der Herstellung führen. Ein weiterer Nachteil der zum bisherigen Stande der Technik

gehörenden Diacs besteht noch darin, daß die Schwel- Eine bevorzugte Ausführungsform des eL'ktroni-

lenspannung nur sehr schwierig zu verändern ist. sehen Festkörperbauelements gemäß der Erfindung

Nachteilig ist außerdem die für die Erfordernisse der besteht darin, daß das duich Beladen der verwende-

Praxis vielfach zu lange Löschzeit. _ten Seltenen Erde mit Wasserstoff gebildete Hydrid-

Neben diesen Halbleiterbauelementen mit p-n- 5 pulver in gepreßter Form im Kontakt mit den Elek-Übergängen aus Einkristallen meist aus Silizium und troden steht und in eine isolierende Hülle eingefüllt Germanium als Halbleitermaterial und auch elektro- oder eingeklebt ist. Vorteilhaft ist die Ausdehnung nische Festkörperbauelemente der eingangs genann- des Festkörpers so gewählt, daß die Schwellenspanten Art bekannt (DT-OS 19 10 313). Hierbei besteht nung einen dem Bedarfsfälle entsprechenden Wert das Material des Festkörpers aus Bor und Seltenen io hat. So hat sich z. B. gezeigt, daß bei einer Länge des Erden. Festkörpers von 3 mm der Spannungsschwellwert bei

Auch sind solche elektronischen Festkörperbau- 30 V und bei einer Länge von 6 mm bei 60 V lag. elemec;c bekannt, die bei Überschreiten einer Die Schwellenspannung ist somit direkt proportional Schwellenspannung von einem Zustand hohen Wider- der Länge des Festkörpers. Außerdem ist die Schwelstands in einen Zustand niedrigen Widerstands über- 15 lenspannung noch von dem Grade der Oxidierung gehen und deren Festkörper aus Oxiden der Seltenen des Hydridpulvers abhängig, und zwar in der Weise, Erden bestellt (DT-AS 12 78 626). daß bei niedriger Oxidation der Spannungsschwell-

Ferner ist es bei derartigen elektronischen Fest- wert niedrig ist, während er bei stärkerer Oxidation körperbauelementen, die aus Gemischen von Tellur, höher liegt. Es ergibt sich somit eine weitgehende AnArsen, Cadmium, Zink, Germanium und Silizium be- ίο paßbarkeit des elektronischen Festkörperbauelements stehen, bekannt, das Material unte- Druck zwischen gemäß der Erfindung dadurch, daß der Oxidierungsden Elektroden anzuordnen und mit einer isolieren- grad des Hydridpulvers des Festkörpers so gewählt den Hülle zu versehen. ist, daß die Schwellenspannung einen dem Bedarfs-

Mit elektronischen Festkörperbauelementen aus fall entsprechenden Wert hat. Zweckmäßig ist es.

diesen Materialien lassen sich jedoch nicht in weiten 25 wenn die WasserstofTkonzentration des Hydrides etwa

Grenzen veränderbare Spannungsschwellwerte ein- zwischen 250 und 320 at" 0 liegt,

stellen. Nachteilig ist auch, daß der amorphe Aufbau Bei den erfindungsgemäßen Festkörperbauelemen-

der Materialgemische, wie z. B. Bor und Seltene ten zeigte es sich, daß sowohl die Einschalt- als auch

Erden, zu Anisotriceffekten führen kann, durch die die Löschzeit beim Überschreiten der Schwellenspan-

die Reproduzierbarkeit der Halbleitereigenschaften 30 nung unterhalb 0,1 usec lag. Bei seiner Verwendung

der Festkörperbauelemente verschlechtert wird. als Diac besteht somit der Vorteil, daß anders als bei

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfach den bisher bekannten symmetrischen Trigger-Dioden und somit wirtschaftlich herstellbares elektronisches keine verlängerte Löschzeit auftritt. Ein weiterer Vor-Festkörperbauelement zu schaffen, dessen Schwellen- zug besteht darin, daß das elektronische Festkörperspannung in weiten Grenzen veränderbar ist, das eine 35 bauelement gemäß der Erfindung in beiden Richtun-Ein- und Ausschaltzeit pnfweist, die kürzer ist als gen schaltbar ist. Es kann mithin sowohl mit Wechsel-0,1 iisec und das insbesondere an Stelle von symme- strom als auch mit Gleichstrom betrieben werden,
trischen Trigger- oder Tunnel-Dioden verwendbar ist. Zwei Ausführüngsbeispiele gemäß der Erfindung

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol-

einem elektronischen Festkörperbauelement der ein- 40 genden näher beschrieben. Es zeigt

gangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Mate- Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines elektroni-

rial aus oxidierten Pulvern der Hydride der Seltenen sehen Festkörperbauclements,

Erden besteht. ' Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines elek-

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, tronischen Festkörperbauelements,
daß anoxidiertes Pulver der Hydride der Seltenen 45 Fig. 3 die Kennlinie des elektronischen Festkör-Erden, insbesondere Lanthanhydrid und Cerium- perbauelements gemäß der Erfindung,
hydrid, unterhalb eines Spannungsschwellwertes einen In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hohen Widerstand aufweist und halbleitende Eigen- ist das oxidierte Hydridpulver der Seltenen Erden in schäften besitzt, daß es ferner oberhalb des Span- gepreßter Form als Festkörper I mit zwei Elektronunssschwellwertes einen kleinen Widerstand und 50 den 2 verbunden und mittels einer die Enden der eine"negative Widerstandscharakteristik aufweist, wo- Elektroden 2 übergreifenden Hülle3 aus isolierendem bei die Kennlinie fast identisch mit der der bisher be- Werkstoff, wie Glas od. dgl., die an ihren beiden kannten Diacs ist, und daß die Schwellenspannung Enden mittels Klebestellen 4 mit den Elektroden 2 dieser Hydride beliebig veränderbar ist, und zwar verbunden ist, gegen atmosphärische Einflüsse geproportional zu der Länge eines aus Hydridpulver 55 schützt. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungshergestellten Elements und der Dotierung des Pulvers beispiel ist der aus oxidiertem Hydridpulver der SeI-mit Sauerstoff. tenen Erden hergestellte Festkörper 1 mit aufge-

Wie sich gezeigt hat, beträgt der spezifische Wider- dampften Elektroden 2 innerhalb einer vakuumdicht

stand beispielsweise für oxidiertes Lanthanhydridpul- abschließenden Hülle 3 angeordnet. Die Elektroden 2

ver bei kleinen Spannungen unterhalb desSpannungs- 60 sind dabei über in der Hülle 3 vorgesehene Elektro-

schwellwertes etwa 2,5"-10'QCm und für Cerium- dendurchführungen 5 mit Potentialdrähten 6 ver-

hydridpulver etwa l,5 10³Qcm. Das sind die glei- bunden.

chen Widerstandswerte,wie sie bisher bekannte Halb- In Fig. 3 ist eine typische Kennlinie des eleklro-

leiier aufweisen. Nach dem Durchbruch, also ober- nischen Festkörperbauelements gemäß der Erfindung

halb der Schwellenspannung, ändert sich der Wider- 65 dargestellt, wobei die Spannung U in Volt in Abhän-

stand überraschenderweise "kontinuierlich auf einen gigkeit von der Stromstärke / in Milliampere wieder-

100- bis lOOOfach kleineren Wert. Es ergibt sich f 'so gegeben ist.

eine necative Widerstandscharakteristik. Zur Herstellung des elektronischen Festkorperbau-

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elements gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, das Metall der verwendeten Seltenen Erde durch eine an sich bekannte Maßnahme, wie Abschmirgeln od. dgl., von einer das Metall überziehenden Oxidhaut zu befreien, worauf das Metall in an sich bekannter Weise bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmtem WasserstofFdruck mit Wasserstoff und Sauerstoff, und zwar 10 bis 1000 ppm O₂ in H₂, beladen wird und das sich dabei bildende Pulver in einem weiteren Verfahrensschritt in eine zylindrische Form gepreßt wird, wobei an die Zylinderenden Elektroden aus Graphit, Kupfer, Silber, Silberstahl od. dgl. angepreßt, elektrolytisch oder durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht werden und anschließend der gebildete Festkörper in eine Hülle aus isolierendem Werkstoff eingeschmolzen oder eingeklebt wird.

Dabei ist es beispielsweise erforderlichem Cerium mit 290 at°/o Wasserstoff zu beladen, das Cerium bei 100⁰C etwa 3 Stunden einem Wasserstoffdruck von 40 Torr auszusetzen. Hierbei zerfiel das Metall in schiefergraues Hydridpulver. Dieses Hydridpulver wurde in einer zylindrischen Form bei einem Druck von bis zu 100 kp/cm- verpreßt. Die Elektroden wurden an die Enden des Festkörpers angepreßt. Da das Hydridpuher unter Atmosphäreneinfluß weiter oxidiert, wurde das Pulver nach dem Preßvorgang in einer isolierenden Hülle luftdicht eingeschlossen. Es zeigte sich, daß die Länge des Festkörpers den Spannungsschwellwert bestimmte, und zwar so, daß ζ. Β. eine Verlängerung um 1 mm eine Erhöhung der ίο Schwellenspannung um 10 V zur Folge hatte. Der Durchmesser des Festkörpers bestimmte die gewünschte Stromstärke. Sie beträgt bei 1 mm Durchmesser etv/a 100 mA.

Aus dem Herstellungsverfahren des elektronischen Festkörpcrbauelements gemäß der Erfindung werden noch einige weitere Vorzüge erkennbar: Das elektronische Festkörperbauelement besteht nur aus einer einzigen Komponente, nämlich dem aus dem oxidierten Pulver der Hydride der Seltenen Erden hergestellte ten Festkörper. Dieser Festkörper wird ohne Orientierung in die gewünschte Form gebracht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronisches Festkörperbauelement mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Festkörper aus einem unterhalb eines Spannungsschwellwertes einen hohen Widerstand und halbleitende Eigenschaften und oberhalb des Spannungsschwellwertes einen kleinen Widerstand und eine negative Widerstandscharakteristik aufweisenden Material, das Seltene Erden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus oxidierten Pulvern der Hydride der Seltenen Erden besteht.

2. Elektronisches Festkörperbauelement nach »5 Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das durch Beladen der verwendeten Seltenen Erde mit Wasserstoff gebildete Hydridpulver in gepreßter Form im Kontakt mit den Elektroden (2) steht und in eine isolierende Hülle (3) eingefüllt oder a° ♦ingeklebt ist.

3. Elektronisches Festkörperbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Festkörpers (1) zwischen den Elektroden (2) so gewählt ist, daß die »5 Schwellenspannung einen dem Bedarfsfall entsprechenden Wert hat.

4. Elektronisches Festkörperbauelement nach finem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch «kennzeichnet, daß der Oxidierungsgrad des Hydridpulvers des Festkörpers (1) so gewänlt ist, daß die Schwellenspannung einen dem Bedarfsfall entsprechenden Wert hat.

5. Elektronisches Festkörperbauelement nach Ilen Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffkonzentration des Hydrids etwa zwischen 250 und 320 at°»liegt.

6. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Festkörperbauelements nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der verwendeten Seltenen Erde durch eine Un sich bekannte Maßnahme von der Oxidhaut befreit wird, worauf das Metall in an sich bekannter Weise bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmtem Wasserstoffdruck mit Wasserstoff Und Sauerstoff, und zwar 10 bis 1000 ppm O₃ in H.. beladen, daß in einem weiteren Verfahrens-(chritt das sich dabei bildende Pulver in eine zylindrische Form gepreßt wird, daß an die Zylin.-derenden Elektroden aus Graphit. Kupfer. Silber, 5<> Silberstahl od. dgl. angepreßt, elektrolytisch oder durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht werden und daß anschließend der Festkörper in eine Hülle aus isolierendem Werkstoff eingeschmolzen Oder eingeklebt wird.