DE4102756A1 - Spannungsabhaengiger, nichtlinearer resistor - Google Patents
Spannungsabhaengiger, nichtlinearer resistorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistor, insbesondere einen spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistor auf Zinkoxid (ZnO)-Basis, der zur Verwendung als
Überspannungsschutzeinrichtung geeignet ist.
Varistoren und Überspannungsleiter (arresters), die auf
Siliciumcarbid (SiC), Selen (Se), Silicium (Si) oder Zinkoxid
(ZnO) basieren, werden üblicherweise verwendet, um elektronische
und elektrische Einrichtungen vor Überspannung zu schützen. Unter
ihnen besitzen jene Varistoren und Überspannungableiter, die auf
ZnO basieren, Vorteile, wie niedrige Restspannung, und einen
hohen spannungsabhängigen Nichtlinearitätsindex. Daher sind sie
geeignet, jene Vorrichtungen vor Überspannung zu schützen,
welche, wie z. B. Halbleitereinrichtungen, eine geringe
Widerstandsfähigkeit bei Überspannung haben. Aufgrund dieser
Umstände haben Varistoren und Überspannungsableiter auf ZnO-Basis
die Ausführungsarten auf SiC-Basis immer mehr verdrängt. Sie
werden auch umfangreiche als Überspannungsableiter zum Zweck des
Schutzes vor elektrischen Leistungsvorrichtungen verwendet.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 25205/1989
beschreibt einen spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor,
welcher durch Sintern einer Zusammensetzung hergestellt wird, die
ZnO als Hauptkomponente und folgende Nebenkomponenten enthält:
0,08-5,0 Atom-% eines Elementes der Seltenerden; 0,1-10,0 Atom-%
Kobalt (Co); 0,01-5,0 Atom-% von mindestens einem
Mitglied der aus Magnesium (Mg) und Calcium (Ca) bestehenden
Gruppe; 0,01-1,0 Atom-% von mindestens einem Mitglied der aus
Kalium (K), Cäsium (Cs) und Rubidium (Rb) bestehenden Gruppe;
0,01-1,0 Atom-% Chrom (Cr); 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-% Bor
(B); und 1×10-4 bis 5×10-2 Atom-% von mindestens einem
Mitglied der aus Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In)
bestehende Gruppe. Der entstehende Resistor besitzt eine hohe
spannungsabhängige Nichtlinearität, eine große
Widerstandsfähigkeit bei Stromstößen und eine lange Lebensdauer
bei Beanspruchung unter Spannung.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 14 924/1987
beschreibt einen spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor,
welcher durch Sintern einer Zusammensetzung hergestellt wird, die
ZnO als Hauptkomponente und folgende Nebenkomponenten enthält:
0,1-5,0 Atom-% Praseodym (Pr); 0,5-5,0 Atom-% Kobalt (Co);
insgesamt 0,06-0,6 Atom-% von mindestens zwei Mitgliedern der
aus Kalium (K), Cäsium (Cs) und Rubidium (Rb) bestehenden Gruppe;
und 0,05-0,5 Atom-% Chrom (Cr). Dieser Resistor besitzt eine
gute spannungsabhängige Nichtlinearität.
Jedoch besitzen die beiden oben beschriebenen spannungsabhängigen,
nichtlinearen Resistoren noch folgende Probleme. Die Leistung
eines spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistors wird durch
zwei Eigenschaften bestimmt, die Spannung pro Dickeneinheit, wenn
ein Strom von 1 mA fließt (im weiteren als V1mA/t (V/mm)
bezeichnet), und das Stromstoßenergieabsorptionsvermögen pro
Volumeneinheit (im weiteren als "zulässige Energie" (kJ/cm³)
bezeichnet). Da die zulässige Energie mit zunehmenden V1mA/t
abnimmt, wird der Wert von V1mA/t üblicherweise, durch
Einstellung der Sinterbedingungen oder anderen Faktoren zur
Unterdrückung des Kristallkornwachstums, gesteuert 200 V/mm nicht
zu übersteigen. Dennoch müssen bei bestimmten Anwendungen, wie
z. B. die Verwendung von Resistoren auf ZnO-Basis als
Überspannungsschutz, nicht nur die Abmessungen, wie z. B. die
Höhe, sondern auch die Herstellungskosten reduziert werden. Um
diesem Bedarf zu entsprechen, ist es erwünscht, den Wert von V1mA/t
auf wenigstens 300 V/mm anzuheben.
Die vorliegende Erfindung liegt den obengenannten Umständen
zugrunde und hat als Aufgabe, einen spannungsabhängigen,
nichtlinearen Resistor zur Verfügung zu stellen, welcher ein V1mA/t
von mindestens 300 V/mm besitzt und welcher dennoch eine
zulässige Energie aufweist, die mindestens zu den vorher bei 200 V/mm
erzielten Werten vergleichbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch einen
spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor gelöst werden,
welcher durch ein Sintern einer Zusammensetzung entsteht, die als
Grundkomponenten die Hauptkomponente ZnO und die folgenden
Zusatzkomponenten enthält: 0,08-5,0 Atom-% eines Elementes der
Seltenen Erden; 0,1-10,0 Atom-% Co; 0,01-5,0 Atom-% von
mindestens einem Mitglied der aus Mg und Ca bestehenden Gruppe;
0,01-1,0 Atom-% von mindestens einem Mitglied der aus K, Cs und
Rb bestehenden Gruppe; 0,01-1,0 Atom-% Cr; 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-% B;
1×10-4 bis 5×10-2 Atom-% von mindestens einem
Mitglied der aus Al, Ga und In bestehenden Gruppe; und durch eine
zusätzliche Komponente, welche 1×10-3-5×10-2 Atom-% von
mindestens ein Mitglied der aus Antimon (Sb), Niob (Nb), Wolfram
(W), Tantal (Ta) und Phosphor (P) bestehenden Gruppe umfaßt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann auch durch einen
spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor gelöst werden,
welcher durch ein Sintern einer Zusammensetzung entsteht, die ZnO
als Hauptkomponente und die folgenden Zusatzkomponenten enthält:
0,1-5,0 Atom-% Pr; 0,5-5,0 Atom-% Co; 0,05-0,5 Atom-% K;
0,05-0,5 Atom-% Cr; und 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-% von
mindestens einem Mitglied der aus Antimon (Sb), Niob (Nb) und
Wolfram (W) bestehende Gruppe.
Wie oben kurz zusammengefaßt, unterscheidet sich der
spannungsabhängige, nichtlineare Resistor gemäß eines Aspekts der
vorliegenden Erfindung von dem, in der geprüften japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 25 205/1989 beschriebenen Resistor
darin, daß er zusätzlich wenigstens ein Mitglied der aus Sb, Nb,
W, Ta und P bestehenden Gruppe in der zu sinternden
Zusammensetzung enthält. Ferner unterscheidet sich der
spannungsabhängige, nichtlineare Resistor gemäß eines anderen
Aspekts der vorliegenden Erfindung von dem, in der geprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 14 924/1987 beschriebenen
Resistor darin, daß er zusätzlich wenigstens ein Mitglied der aus
Sb, Nb, und W bestehenden Gruppe in der zu sinternden
Zusammensetzung enthält. In jedem Fall wird durch die Zugabe
eines oder mehrerer der oben aufgeführten Zusatzkomponenten das
Kornwachstum während des Sinterns ausreichend wirkungsvoll
unterdrückt, um ein gesintertes Erzeugnis zu bilden, das aus
kleinen Körnern zusammengesetzt ist, welche die Anzahl der pro
Dickeneinheit vorhandenen Korngrenzflächen erhöhen. Auf diese
Weise wird ein spannungsabhängiger, nichtlinearer Resistor
hergestellt, der hohe V1mA/t-Werte hat. Des weiteren ist die
Zugabe von Sb, Nb, W, Ta oder P keineswegs schädlich für die
strukturelle Homogenität des gesinterten Erzeugnisses und trägt
vielmehr in dem höheren V1mA/t-Bereich dazu bei, hohe Werte der
zulässigen Energie zur Verfügung zu stellen, welche mindestens
vergleichbar zu solchen sind, die von den, in den geprüften
japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 25 205/1989 und
14 924/1987 beschriebenen spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistoren erreicht wurden.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von
bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
Der spannungsabhängige, nichtlineare Resistor der vorliegenden
Erfindung wird durch Sintern einer Mischung aus ZnO und den
Nebenkomponenten entweder in metallischer Form oder in Form einer
Verbindung in einer Sauerstoff enthaltenden Atmospäre bei
erhöhten Temperaturen hergestellt. Die Nebenkomponenten werden
üblicherweise in Form von Metalloxiden zugefügt, es können aber
auch Verbindungen verwendet werden, welche zur Umwandlung in eine
oxidische Form während des Sinterschrittes fähig sind, wie
Carbonate, Hydroxide und Fluoride oder deren Lösungen. Alternativ
können die Nebenkomponenten auch in elementarer Form verwendet
werden, so daß sie während des Sinterschrittes in ein Oxid
umgewandelt werden.
Um den spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor der
vorliegenden Erfindung herzustellen, wird ein ZnO-Pulver mit den
Pulvern der Nebenkomponenten entweder in metallischer Form oder
in Form einer Verbindung sehr gut gemischt; die Mischung wird für
einige Stunden an Luft bei 500 bis 1000°C calciniert; das
calcinierte Erzeugnis wird fein gemahlen und in eine
vorherbestimmte Form gepreßt, gefolgt von einer mehrstündigen
Sinterung an Luft bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1400°C.
Unter 1100°C wird der Preßling unzureichend gesintert, um ein
Erzeugnis mit ausschließlich stabilen Eigenschaften herzustellen.
Oberhalb 1400°C ist es schwierig, ein homogen gesintertes
Erzeugnis herzustellen, das erhaltene Erzeugnis wird nicht für
praktische Anwendungen geeignet sein, da es eine schlechte
spannungsabhängige Nichtlinearität haben wird, und bei der
Steuerung dessen Eigenschaften in einer gleichmäßigen Weise
Schwierigkeiten auftreten werden.
Zwei typische Beispiele des spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistors der vorliegenden Erfindung werden im folgenden
beschrieben.
Zu einem ZnO-Pulver wurden sowohl Pulver von Pr₆O₁₁, Co₃O₄, MgO,
K₂CO₃, Cr₂O₃, B₂O₃ und Al₂O₃ als auch mindestens eines der Pulver
von Sb₂O₃, Nb₂O₅, WO₃, Ta₂O₅ und P₂O₅ in Mengen hinzugefügt, die
den in den folgenden Tabellen 1 bis 6 angegebenen Atom-%en
entsprachen, und, nachdem die einzelnen Pulver gut gemischt
waren, wurde die Calcination mehrere Stunden bei 500-1000°C
durchgeführt. Anschließend wurden die calcinierten Erzeugnisse
fein gemahlen, mit einem Binder gemischt und in Scheiben mit 17 mm
Durchmesser gepreßt. Die Scheiben wurden dann an Luft 1 h bei
1100-1400°C gesintert, um gesinterte Erzeugnisse herzustellen.
Die so hergestellten gesinterten Erzeugnisse wurden geschliffen
und poliert, um 2 mm dicke Proben zu erhalten, und um sie als
Testkörper für die Messungen ihrer elektrischen Eigenschaften
vorzubereiten, wurden auf die entgegengesetzten Seiten jeder
Probe Elektroden gedruckt.
Die gemessenen elektrischen Eigenschaften waren die folgenden:
V1mA/t oder die Spannung, die zwischen den Elektroden auftrat, wenn ein Strom von 1 mA an die Einrichtung angelegt wurde; und die zulässige Energie, welche aus dem Wert von 2 ms Rechteckstroms, der 20mal angelegt werden konnte, ohne einen Durchschlag oder einen Oberflächendurchbruch in der Probe zu bewirken, und aus der entstehenden Spannung bestimmt wurde.
V1mA/t oder die Spannung, die zwischen den Elektroden auftrat, wenn ein Strom von 1 mA an die Einrichtung angelegt wurde; und die zulässige Energie, welche aus dem Wert von 2 ms Rechteckstroms, der 20mal angelegt werden konnte, ohne einen Durchschlag oder einen Oberflächendurchbruch in der Probe zu bewirken, und aus der entstehenden Spannung bestimmt wurde.
Die Zusammensetzung des spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistors wurde verschiedentlich geändert, und die Ergebnisse der
Messungen der einzelnen Proben sind in den Tabellen 1 bis 6
dargestellt. Tabelle 1 zeigt den Fall, das Sb zu der
Grundzusammensetzung hinzugefügt wurde; Tabelle 2 zeigt den Fall,
das Nb hinzugefügt wurde; Tabelle 3 zeigt den Fall, daß W
hinzugefügt wurde; Tabelle 4 zeigt den Fall, daß Ta hinzugefügt
wurde; Tabelle 5 zeigt den Fall, daß P hinzugefügt wurde; und
Tabelle 6 zeigt den Fall, daß sowohl Nb als auch W hinzugefügt
wurden. Die Angaben in jeder Tabelle sind in Atom-%en
ausgedrückt, berechnet aus dem Verhältnis der Anzahl der Atome
eines gegebenen metallischen Elementes zu der gesamten Anzahl der
Atome der Elemente in den verschiedenen Ausgangsmaterialien. In
jeder Tabelle ist V1mA/t, welches der Wert von V1mA pro
Dickeneinheit ist, als V1mA per se angegeben, und das "zulässige
Energieverhältnis" ist anstelle der zulässigen Energie angegeben.
Das "zulässige Energieverhältnis" bezieht sich auf den Wert der
zulässigen Energie, wenn der Wert von V1mA/t von jedem, der in
den geprüften japanischen Patentveröffentlicheungen Nr. 25 205/1989
und 14 924/1987 beschriebenen spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistoren ungefähr 200 V/mm ist.
Probe Nr. 1 und 2 in jeder Tabelle 1 bis 6 entsprechen einem
spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor, welcher durch Zugabe
von Pr, Co, Mg, K, Cr, B und Al zu ZnO hergestellt wurde, sie
werden zum Vergleich angeführt. Probe Nr. 1 und 2 besaßen die
gleiche Zusammensetzung, wurden aber unter verschiedenen
Bedingungen gesintert. Genauer angegeben wurde Probe Nr. 2 bei
einer niedrigeren Temperatur als Probe Nr. 1 gesintert und sie
erzeugte eine V1mA/t-Wert, der größer als 300 V/mm war. Jedoch
hinsichtlich des zulässigen Energieverhältnisses nahm die
zulässige Energie der Probe Nr. 2 signifikant zu, daß sie in
praktischer Anwendung unbrauchbar war, wenn V1mA/t auf größere
Werte als 300 V/mm festgesetzt wurde.
Tabellen 1 bis 6 zeigen, daß spannungsabhängige, nichtlineare
Resistoren, welche V1mA/t-Werte von 300 V/mm erzeugen konnten
und dennoch mindestens zu dem Fall, daß V1mA/t 200 V/mm war,
vergleichbare zulässige Energien besaßen. Dabei wurde die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung von Probe Nr. 4-7, 10-13, 16-18,
21-23, 26-28, 31-34, 37-40 und 43-45 in jeder Tabelle gelöst.
Berücksichtig man alle diese Werte, sind die, für den
spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor der vorliegenden
Erfindung, geeigneten Mengen der Nebenkomponenten wie folgt: 0,08-5,0 Atom-%
Pr; 0,1-10,0 Atom-% Co; 0,01-5,0 Atom-% Mg; 0,01-1,0 Atom-%
K; 0,01-1,0 Atom-% Cr; 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-%
B; 1×10-4 bis 5×10-2 Atom-% Al; und insgesamt 1×10-3
bis 5×10-2 Atom-% von mindestens einem Mitglied der aus
Sb, Nb, W, Ta und P bestehenden Gruppe.
Somit kann der spannungsabhängige, nichtlineare Resistor der
vorliegenden Erfindung, welcher gekennzeichnet ist durch die
Zugabe geeigneter Mengen von mindestens einem Mitglied der aus
Sb, Nb, W, Ta und P bestehenden Gruppe zu einer
Grundzusammensetzung, welche ZnO als Hauptkomponente und
geeignete Mengen an Pr, Co, Mg, K, Cr, B und Al als
Nebenkomponente enthält, auf ausgezeichnete Weise die
Stromstoßenergie in einem hohen V1mA/t-Bereich von 300 V/mm oder
mehr absorbieren. Diese Wirkung wird erzielt, wenn ZnO in
Kombination mit geeigneten Mengen von Pr, Co, Mg, K, Cr, B, Al
und wenigstens einem Mitglied der aus Sb, Nb, W, Ta und P
bestehenden Gruppe verwendet wird. Wenn diese Nebenkomponenten
einzeln hinzugefügt werden, können die hergestellten Resistoren
eine so schlechte spannungsabhängige Nichtlinearität haben, daß
ihre Eigenschaften im wesentlichen ohmisch wären und in
praktischen Anwendungen unbrauchbar.
In dem oben beschriebenen Beispiel 1 ist Pr nur als ein Beispiel
für die Elemente der Seltenerden angeführt, die als
Nebenkomponenten hinzugefügt werden können. Andere Elemente der
Seltene Erden können auch verwendet werden. Zusätzlich zu Mg kann
Ca entweder gesondert oder gleichzeitig zugefügt werden;
zusätzlich zu K können auch Cs und Rb entweder gesondert oder
gleichzeitig mit K hinzugefügt werden; und zusätzlich zu Al
können auch Ga und In entweder gesondert oder gleichzeitig mit Al
hinzugefügt werden. Auch in diesen veränderten
Zusammensetzungssystemen erzielt die Zugabe von Sb, Nb, W, Ta
oder P gemäß der vorliegenden Erfindung die gleiche Wirkung wie
zuvor beschrieben. Dieses wurde in zusätzlich von den Erfindern
ausgeführten Experimenten nachgewiesen.
Zu einem ZnO-Pulver wurden sowohl Pulver von Pr₆O₁₁, CO₃O₄; K₂CO₃
und Cr₂O₃ als auch mindestens eines der Pulver von Sb₂O₃, Nb₂O₅
und WO₃ in Mengen hinzugefügt, die den in den folgenden Tabellen
7 bis 10 angegebenen Atom-%en entsprachen, und, nachdem die
einzelnen Pulver gut gemischt waren, wurde die Calcination
mehrere Stunden bei 500-1000°C ausgeführt. Anschließend wurden
die calcinierten Erzeugnisse fein gemahlen, mit einem Binder
gemischt und in Scheiben mit 17 mm Durchmesser gepreßt. Die
Scheiben wurden dann an Luft 1 h zwischen 1100 und 1400°C
gesintert, um gesinterte Erzeugnisse herzustellen. Die so
hergestellten gesinterten Erzeugnisse wurden geschliffen und
poliert, um 2 mm dicke Proben zu erhalten, und um sie als
Testkörper für die Messungen ihrer elektrischen Eigenschaften
vorzubereiten, wurden auf die entgegengesetzten Seiten jeder
Probe Elektroden gedruckt.
Die gemessenen elektrischen Eigenschaften waren die folgenden:
V1mA oder die Spannung, die zwischen den Elektroden auftrat,
wenn ein Strom von 1 mA an die Einrichtung angelegt wurde; und
die zulässige Energie, welche aus dem Wert von 2 ms
Rechteckstrom, der 20mal angelegt werden konnte, ohne einen
Durchschlag oder Oberflächendurchbruch in der Probe zu bewirken,
und aus der entstehenden Spannung bestimmt wurde.
Die Zusammensetzung der spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistors
wurde verschiedentlich geändert, und die Ergebnisse der
Messungen der einzelnen Proben sind in den Tabellen 7 bis 10 dargestellt.
Tabelle 7 zeigt den Fall, daß Sb zu der Grundzusammensetzung
hinzugefügt wurde; Tabelle 8 zeigt den Fall, daß Nb hinzugefügt
wurde; Tabelle 9 zeigt den Fall, daß W hinzugefügt wurde;
und Tabelle 10 zeigt den Fall, daß sowohl Nb als auch W hinzugefügt
wurden. Die Angaben in jeder Tabelle sind in Atom-%en
ausgedrückt, berechnet aus dem Verhältnis der Anzahl der Atome
eines gegebenen Elementes zu der gesamten Anzahl der Atome der
metallischen Elemente in den verwendeten Ausgangsmaterialien. In
jeder Tabelle ist V1mA/t, welches den Wert von V1mA pro Dickeneinheit
ist, als V1mA per se angegeben, und das "zulässige Energieverhältnis"
ist anstelle der zulässigen Energie angegeben. Das
"zulässige Energieverhältnis" bezieht sich auf den Wert der zulässigen
Energie, wenn der Wert von V1mA/t von jedem, der in den
geprüften japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 25 205/1989 und
14 924/1987 beschriebenen spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistoren,
ungefähr 200 V/mm ist.
Probe Nr. 1 und 2 in jeder Tabelle 7 bis 10 entsprechen einem
spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor, welcher durch Zugabe
von Pr, Co, K und Cr zu ZnO hergestellt wurde, sie werden zum
Vergleich aufgeführt. Probe Nr. 1 und 2 besaßen die gleich Zusammensetzung,
wurden aber unter verschiedenen Bedingungen gesintert.
Genauer angegeben, wurde Probe Nr. 2 bei einer niedrigeren
Temperatur als Probe Nr. 1 gesintert und sie erzeugte einen V1mA/t-Wert,
der größer als 300 V/mm war. Jedoch hinsichtlich des
zulässigen Energieverhältnisses nahm die zulässige Energie der
Probe Nr. 2 signifikant zu, daß sie in praktischer Anwendung unbrauchbar
war, wenn V1mA/t auf größere Werte als 300 V/mm festgesetzt
wurde.
Tabellen 7 bis 10 zeigen, daß spannungsabhängige, nichtlineare
Resistoren, welche V1mA/t-Werte von 300 V/mm oder mehr erzeugen
konnten und dennoch zu dem Fall, daß V1mA/t 200 V/mm war,
vergleichbare zulässige Energie besaßen. Dabei wurde die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung von Probe Nr. 4-8, 11-13, 16-18, 21-23
und 26-28 in jeder Tabelle gelöst. Berücksichtigt man alle diese
Werte, sind die, für den spannungsabhängigen, nichtlinearen
Resistor der vorliegenden Erfindung, geeigneten Mengen der
Zusatzkomponenten wie folgt: 0,1-5,0 Atom-% Pr; 0,5-5,0 Atom-%
Co; 0,05-0,5 Atom-% K; 0,05-0,5 Atom-% Cr; und
insgesamt 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-% von mindestens einem
Mitglied der aus Sb, Nb und W bestehenden Gruppe.
Somit kann der spannungsabhängige, nichtlineare Resistor der
vorliegenden Erfindung, welcher gekennzeichnet ist durch die
Zugabe geeigneter Mengen von mindestens einem Mitglied der aus
Sb, Nb, und W bestehenden Gruppe zu einer Grundzusammensetzung,
welche ZnO als Hauptkomponente und geeignete Mengen an Pr, Co, K
und Cr als Nebenkomponenten enthält, auf ausgezeichnete Weise die
Stromstoßenergie in einem hohen V1mA/t-Bereich von 300 V/mm oder
mehr absorbieren. Diese Wirkung wird erzielt, wenn ZnO in
Kombination mit geeigneten Mengen von Pr, Co, Cr und von
mindestens einem Mitglied der aus Sb, Nb und W bestehenden Gruppe
verwendet wird. Wenn die Zusatzkomponenten einzeln hinzugefügt
werden, können die hergestellten Resistoren eine so schlechte
spannungsabhängige Nichtlinearität haben, daß ihre Eigenschaften
im wesentlichen ohmisch wären und für praktische Anwendungen
unbrauchbar.
Wie auf den vorgenannten Seiten beschrieben, erzeugt der
spannungsabhängige, nichtlineare Resistor, welcher
durch Sintern eine Zusammensetzung hergestellt wird, die
auf ZnO basiert und Nebenkomponenten enthält, die sowohl die
Elemente der Seltenen Erden wie auch mindestens ein Mitglied der
aus Sb, Nb, W, Ta und P bestehenden Gruppe einschließt,
V1mA/t-Werte von 300 V/mm und mehr erzeugen und dennoch eine
Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit haben, die mindestens
vergleichbar zu dem Fall ist, daß V1mA/t ungefähr 200 V/mm ist.
Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung ist sehr wirksam bei
der Verringerung der Größe und der Herstellungskosten von
Überspannungsschutz und anderen Geräten, bei denen
spannungsabhängige, nichtlineare Resistoren verwendet werden.
Obgleich die Erfindung im einzelnen und unter Bezugnahme auf
deren verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist
es offensichtlich für einen Fachmann, daß verschiedene
Abänderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von
dem Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Claims (6)
1. Ein spannungsabhängiger, nichtlinearer Resistor, umfassend
eine gesinterte Zusammensetzung, welche Grundkomponenten
enthält,
gekennzeichnet durch
Zinkoxid als Hauptkomponente und die folgenden
Nebenkomponenten:
insgesamt 0,08-5,0 Atom-% von wenigstens einem der Elemente der Seltenen Erden; 0,1-10,0 Atom-% Kobalt; 0,01-5,0 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Magnesium und Calcium bestehenden Gruppe; insgesamt 0,01-1,0 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Kalium, Cäsium und Rubidium bestehenden Gruppe; 0,01-1,0 Atom-% Chrom; 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-% Borm, und insgesamt 1×10-4 bis 5×10-2 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Aluminium, Gallium und Indium bestehenden Gruppe; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob, Wolfram, Tantal und Phosphor umfassenden Gruppe.
insgesamt 0,08-5,0 Atom-% von wenigstens einem der Elemente der Seltenen Erden; 0,1-10,0 Atom-% Kobalt; 0,01-5,0 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Magnesium und Calcium bestehenden Gruppe; insgesamt 0,01-1,0 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Kalium, Cäsium und Rubidium bestehenden Gruppe; 0,01-1,0 Atom-% Chrom; 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-% Borm, und insgesamt 1×10-4 bis 5×10-2 Atom-% von wenigstens einem Mitglied der aus Aluminium, Gallium und Indium bestehenden Gruppe; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob, Wolfram, Tantal und Phosphor umfassenden Gruppe.
2. Ein spannungsabhängiger, nichtlinearer Resistor, umfassend
eine gesinterte Zusammensetzung, welche Grundkomponenten
enthält, gekennzeichnet durch Zinkoxid als Hauptkomponente
und die folgenden Nebenkomponenten:
0,1-5,0 Atom-% Praseodym; 0,5-5,0 Atom-% Kobalt; 0,05-0,5 Atom-% Kalium; und 0,05-0,5 Atom-% Chrom; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob und Wolfram umfassenden Gruppe.
0,1-5,0 Atom-% Praseodym; 0,5-5,0 Atom-% Kobalt; 0,05-0,5 Atom-% Kalium; und 0,05-0,5 Atom-% Chrom; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob und Wolfram umfassenden Gruppe.
3. Ein Verfahren zur Herstellung eines spannungsabhängigen,
nichtlinearen Resistors,
gekennzeichnet durch
die Schritte:
- - Mischen einer zu sinternden Zusammensetzung gemäß Anspruch 1,
- - Calcinieren der Mischung an Luft;
- - Mahlen des calcinierten Erzeugnisses und Verpressen des Erzeugnisses in eine vorbestimmte Form;
- - Sintern des Erzeugnisses an Luft;
- - Schleifen und Polieren des gesinterten Erzeugnisses und Schneiden desselben in vorherbestimmte Abmessungen; und
- - Drucken von Elektroden auf die entgegengesetzten Seiten des Erzeugnisses.
4. Ein Verfahren zur Herstellung eines spannungsabhängigen,
nichtlinearen Resistors, gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Mischen einer zu sinternden Zusammensetzung gemäß Anspruch 2;
- - Calcinieren der Mischung an Luft;
- - Mahlen des calcinierten Erzeugnisses und Verpressen des Erzeugnisses in eine vorherbestimmte Form;
- - Sintern des Erzeugnisses an Luft;
- - Schleifen und Polieren des gesinterten Erzeugnisses und Schneiden desselben in vorherbestimmte Abmessungen; und
- - Drucken von Elektroden auf die entgegengesetzten Seiten des Erzeugnisses.
5. Ein spannungsabhängiges, nichtlinearen Resistor,
gekennzeichnet durch
die folgenden Eigenschaften:
- 1) Eine Spannung pro Dickeneinheit von mindestens 300 V/mm, wenn ein Strom von 1 mA (V1mA/t) fließt und
- 2) eine Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit pro Volumeneinheit (zulässige Energie), die einem spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor mit V1mA/t von ungefähr 200 V/mm annähernd gleich ist, wobei dieser spannunsabhängige, nichtlineare Resistor eine gesinterte Zusammensetzung umfaßt, welche Grundkomponenten enthält, umfassend Zinkoxid als Hauptkomponente und die folgenden Nebenkomponenten: insgesamt 0,08-5,0 Atom-% von wenigstens einem Element der Seltenen Erden; 0,1-10,0 Atom-% Kobalt; wenigstens 0,01-5,0 Atom-% von mindestens einem Mitglied der aus Magnesium und Calcium bestehenden Gruppe; insgesamt 0,01-1,0 Atom-% von mindestens einem Mitglied der aus Kalium, Cäsium und Rubidium bestehenden Gruppe; 0,01-1,0 Atom-% Chrom; 5×10-4 bis 1×10-1 Atom-% Bor, und insgesamt 1×10-4 bis 5×10-2 von mindestens einem Mitglied der aus Aluminium, Gallium und Indium bestehenden Gruppe; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 1×10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob, Wolfram, Tantal und Phosphor umfassenden Gruppe.
6. Ein spannungsabhängiger, nichtlinearer Resistor,
gekennzeichnet durch die folgenden Eigenschaften:
- 1) ein Spannung pro Dickeneinheit von mindestens 300 C/mm, wenn ein Strom von 1 mA (V1mA/t) fließt und
- 2) eine Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit pro Volumeneinheit (zulässige Energie), die einem spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor mit V1mA/t von ungefähr 200 V/mm annähernd gleich ist, wobei dieser spannungsabhängige, nichtlineare Resistor eine gesinterte Zusammensetzung umfaßt, welche Grundkomponenten enthält, umfassend Zinkoxid als Hauptkomponente und die folgenden Nebenkomponenten: 0,1-5,0 Atom-% Praseodym; 0,5-5,0 Atom-% Kobalt; 0,05-0,5 Atom-% Kalium, und 0,05-0,5 Atom-% Chrom; und durch wenigstens eine zusätzliche Komponente mit einem Anteil von 10-3 bis 5×10-2 Atom-%, ausgewählt aus der Antimon, Niob und Wolfram umfassenden Gruppe.
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