DE2363172C3 - Spannungsabhängiger Widerstand - Google Patents

Description

In der Elektrotechnik haben spannungsabhängige Widerstände eine große Bedeutung erlangt, insbesondere zum Zweck eier Begrenzung von Überspannungen in elektronischer, Schaltungen u,.d Einrichtungen zur Energieversorgung. In ν ig. 1 ist die idealisierte Abhängigkeit zwischen dem Stro ι und der Spannung eines solchen spannungsabhängigen Widerstandes aufgetragen. Man erkennt, daß der Strom /unterhalb eines Grenzwertes der Spannung υ Null und oberhalb des Grenzwertes beliebig hoch ist Dies entspricht einer sprunghaften Änderung des Widerstandswertes von unendlich auf Null.

Im Unterschied zu der idealisierten Kennlinie nach F i g. 1 vollzieht sich der Übergang zwischen dem hohen und dem niedrigen Widerstandswert bei technischen Widerständen alimählich. Außerdem ist stets ein endlicher Widerstandswert vorhanden. Dieses Verhalten wird durch die Beziehung

charakterisiert, in der C eine Materialkonstante ist, die ein Maß für die Spannung bei einem vorgegebenen Strom angibt, und η ein Exponent, der die Stärke der Spannungsabhängigkeit kennzeichnet Für Überspannungsableiter strebt man einen hohen Wert η und unabhängig hiervon einen dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßten Wert Can. In der DE-AS 16 65 135 sind unter Angabe von Werten für Cund η verschiedene Arten spannungsabhängiger Widerstände erläutert, insbesondere solche auf der Basis von Siliziumkarbid und Zinkoxid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere zum Bau von Uberspannungsableitern geeignete spannungsabhängige Widerstände zu schaffen, die insbesondere einen hohen Wert π besitzen. Dadurch soll eine Leistungssteigerung bei Uberspannungsableitern ermöglicht werden. Diese könnte sich beispielsweise dahingehend auswirken, daß Überspannungsableiter bei unverändertem Raumbedarf für höhere Spannungen und Ableitströme einsetzbar sind.

Die Erfindung geht hierzu von einem spannungsabhängigen Widerstand aus, der aus wenigstens zwei Komponenten besteht, von denen die eine p-leitend und die andere η-leitend ist Gemäß der Erfindung weisen

ίο die Komponenten voneinander stark abv eichende elektrische Leitfähigkeiten auf, wobei die Komponente mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit aus relativ großen Körnern, Kristallen oder Polykristallen besteht, während die Komponente mit der geringeren elektri sehen Leitfähigkeit aus sehr kleinen Kristallen oder einer amorphen Substanz besteht, und die Komponenten sind elektronische Halbleiter der Elemente Germanium, Silizium, Selen, Graphit und Verbindungen der Gruppe Silicide, Sulfide, Karbide, Selenide, Boride,

Aiii-Bv und An-Bvi-

Der Leitungsvorgang in einem gemäß der Erfindung zusammengesetzten Widerstand vollzieht sich etwa folgendermaßen: Sind beispielsweise stark p-leitende Teilchen in eine schwach n-Ieitende Substanz eingebet tet, so fließen die Ladungsträger unterhalb des durch die in dem Widerstand verteilten p-n-Übergänge gegebenen Schwellwertes der Spannung durch das n-Ieitende Material. Dieser Strom ist sehr gering. Oberhalb des Schwellwertes dringen die Ladungsträger in die

jo p-leitenden Teilchen ein und finden dort Leitungsbahnen mit niedrigem Widerstand vor. Auf diese Weise können die Ladungsträger in dem Widerstandskörper einen Teil des zurückzulegenden Gesamtweges in niederohmigen Strombahnen zurücklegen.

Dieser Leitungsvorgang wird noch dadurch verbessert daß der von den Ladungsträgern in dem Widerstandskörper zurückzulegende Gesamtweg überwiegend innerhalb der Teilchen hoher elektrischer Leitfähigkeit verläuft Als Anhaltswerte für den Unterschied der Leitfähigkeiten der p- und n-leitenden Substanzen können Faktoren von iO²—10³ gelten. Die Teilchen mit der hohen Leitfähigkeit können beispielsweise eine durchschnittliche Größe von 25 Mikrometer und die Teilchen mit der niedrigen Leitfähigkeit eine

Größe von 1 —2 Mikrometer aufweisen.

Die für die Zwecke der Erfindung vorgesehenen Stoffe sind zur Herstellung von Halbleitern und spannungsabhängigen Widerständen bisher zum Teil schon bekannt teilweise aber auch bisher unbeachtet geblieben. Zur Erläuterung sei noch erwähnt daß unter den Komponenten Am-Bv und An-Bvi Verbindungen eines Elementes der III. bzw. II. Gruppe mit einem Element der V. bzw. VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente zu verstehen sind.

Eine weitere Gruppe von Stoffen, die sich für die Zwecke der Erfindung eignen, sind elektronisch leitende Oxide und Mischoxide.

Wie dies an sich bekannt ist können auch teilweise ionenleitende Stoffe benutzt werden. Hierzu kann den beiden erwähnten Komponenten eine dritte, ionenleitende Komponente beigemischt werden, z. B. Natriumsilikat, Arsenik, Phosphorpentoxid und ähnliche Stoffe. Bildet Siliziumkarbid eine der Komponenten, so kann als dritte Komponente Natriumsilikat verwendet

bi werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

Beispiel 1

Als erste Komponente zur Herstellung eines spannungsabhängigen Widerstandes wird stark dotiertes Silizium mit hoher p-Leitfähigkeit in Gestalt verhältnismäßig großer Körner verwendet. Als Dotierungsstoff eignen sich die Elemente der III. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise Bor, Aluminium und Gallium. Als zweite Komponente wird schwach η-leitendes Silizium in sehr feiner Form verwendet, to wobei als Dotwrungsstoffe die Elemente der V. Gruppe des Periodischen Systems in Betracht kommen. Diese beiden Komponenten werden sorgfältig gemischt, z. B. unter Zusatz von Glycerin oder Wasser, und nach Erreichen des erforderlichen Durchmischungsgrades in einer geeigneten Vorrichtung unter hohem Druck zu Tabletten gepreßt Die Tabletten können beispielsweise einen Durchmesser von 2 cm bei einer Dicke von 0,5 cm aufweisen. Anschließend werden die Tabletten bei hoher Temperatur, z. B. 1000⁰C, gesintert. Hierbei bildet sich das bereits erwähnte Gefüge aus, bei dem in eine schwach n-Ieitende Grundsubstanz Teilchen mit hoher p-Leitfähigkeit eingebettet sind, wie dies schematisch in F i g. 2 dargestellt ist Die einander gegenüberliegenden ebenen Seiten der Tabletten werden mit einer Sehenden Beschichtung versehen, beispielsweise durch Aufspritzen einer Metallschicht Mit diesen Schichten können Leitungsdrähte oder sonstige Anschlußvorrichtungen etwa durch Löten verbunden werden.

Beispiel 2

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Als Ausgangsstoffe werden Siliziumkarbid mit hoher p-Leitfähigkeit und schwach η-leitendes Aluminiumoxid benutzt Zur Erzielung der η-Leitung kann das Aluminiumoxid mit Eisen dotiert sein. Zusätzlich zu dem Aluminiumoxid kann Aluminiumhydroxid verwendet werden. Diese Stoffe werden gleichfalls sorgfältig miteinander gemischt und nach Verpressung zu Körpern geeigneter Gestalt, z. B. Scheiben oder Tabletten, bei hoher Temperatur gesintert. In der schon beschriebenen Weise können die gebrannten Körper mit leitenden Beschichtungen und Leitungsdrähten bzw. Anschlußvorrichtungen versehen werden.

Beispiel 3

Als Ausgangsstoffe zur Herstellung eines spannungsabhängigen Widerstandes werden Cadmiumselenid in Kristallform und Selen in feinverteilter Form, z. B. amorph, verwendet. Dem Selen können 2. B. Thallium, Schwefel oder Arsen als Dotierungsstoffe zugesetzt sein. Die genannten Stoffe werden gemischt und zu Körpern geeigneter Gestalt verpreßt, falls erforderlich unter Zusatz eines Alkohols. Die gepreßten Körper werden bei einer Temperatur von etwa 20O—220"C gesintert

Aus Widerstandskörpern nach den vorstehend erläuterten Beispielen können Überspannungsableiter hergestellt werden, indem je nach der gewünschten Höhe der Betriebsspannung und der zu beherrschenden Ableitströme eine bestimmte Anzahl von geeigneten Widerstanüskcrpern in Reihe geschaltet wird. Die Reihenschaltung kann in einem isci«renden Gehäuse aus Porzellan, Gi sßharz oder einem ande ;en geeigneten Werkstoff untergebracht und gegenüber der Umgebung abgeschlossen sein. Ein solcher Überspannungsableiter ist schematisch in der Fig.2 dargestellt, in der das Gehäurc mit 1 und die in Reihe geschalteten Widerstandskörper mit 2 bezeichnet sind. Das Gehäuse 1 ist an seinen Enden durch Armaturen 3 und 4 verschlossen, an denen sich Anschlußvorrichtungen 5 und 6 befinden, an die ein spannungfährender Leiter eines zu schützenden Netzes bzw. ein Erdanschlußletter angeklemmt werden kann. Der Überspannungsableiter besitzt keine Funkenstrecke im Gegensatz zu den bisher üblichen Überspannungsableitern für mittlere und hohe Spannungen, da die neuen Widerstandskörper einen derart ausgeprägten Knick der Strom-Spannungsabhängigkeit aufweisen, daß die Funktion der Funkenstrecke von den Widerstandskörpern zusätzlich übernommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spannungsabhängiger Widerstand, bestehend aus wenigstens zwei Komponenten, von denen die eine p-leitend und die andere η-leitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten voneinander stark abweichende elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, wobei die Komponente mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit aus relativ großen Körnern, Kristallen oder Polykristallen besteht, während die Komponente mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit aus sehr kleinen Kristallen oder einer amorphen Substanz besteht, und daß die Komponenten elektronische Halbleiter der Elemente Germanium, Silizium, Selen, Graphit und Verbindungen der Gruppe Silicide, Sulfide, Karbide, Selenide, Boride, Am-By und An-Bvi sind.

2. Spannungsabhängiger Widerstand nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten elektronisch leitende Oxide und/oder Mischoxide sind.

3. Spam.unabhängiger Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, ionenleitende Komponente vorgesehen ist.