DE4102756A1

DE4102756A1 - Spannungsabhaengiger, nichtlinearer resistor

Info

Publication number: DE4102756A1
Application number: DE4102756A
Authority: DE
Inventors: Toyoshige Sakaguchi; Kazuo Mukae; Koichi Tsuda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1991-08-08
Also published as: DE4102756C2; US5140296A

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 V_1mA/t (V/mm) bezeichnet), und das Stromstoßenergieabsorptionsvermögen pro Volumeneinheit (im weiteren als "zulässige Energie" (kJ/cm³) bezeichnet). Da die zulässige Energie mit zunehmenden V_1mA/t abnimmt, wird der Wert von V_1mA/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 V_1mA/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 V_1mA/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 V_1mA/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 V_1mA/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.

Beispiel 1

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:
V_1mA/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 V_1mA/t, welches der Wert von V_1mA pro Dickeneinheit ist, als V_1mA 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 V_1mA/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 V_1mA/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 V_1mA/t auf größere Werte als 300 V/mm festgesetzt wurde.

Tabellen 1 bis 6 zeigen, daß spannungsabhängige, nichtlineare Resistoren, welche V_1mA/t-Werte von 300 V/mm erzeugen konnten und dennoch mindestens zu dem Fall, daß V_1mA/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 V_1mA/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.

Beispiel 2

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: V_1mA 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 V_1mA/t, welches den Wert von V_1mA pro Dickeneinheit ist, als V_1mA 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 V_1mA/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 V_1mA/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 V_1mA/t auf größere Werte als 300 V/mm festgesetzt wurde.

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Tabellen 7 bis 10 zeigen, daß spannungsabhängige, nichtlineare Resistoren, welche V_1mA/t-Werte von 300 V/mm oder mehr erzeugen konnten und dennoch zu dem Fall, daß V_1mA/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 V_1mA/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, V_1mA/t-Werte von 300 V/mm und mehr erzeugen und dennoch eine Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit haben, die mindestens vergleichbar zu dem Fall ist, daß V_1mA/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

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.

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.

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 (V_1mA/t) fließt und
2) eine Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit pro Volumeneinheit (zulässige Energie), die einem spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor mit V_1mA/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 (V_1mA/t) fließt und
2) eine Stromstoßenergieabsorptionsfähigkeit pro Volumeneinheit (zulässige Energie), die einem spannungsabhängigen, nichtlinearen Resistor mit V_1mA/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.