DE8717303U1

DE8717303U1 - Vorrichtung zum Schutz gegen elektrische Überlastung

Info

Publication number: DE8717303U1
Application number: DE8717303U
Authority: DE
Original assignee: EOS TECHNOLOGIES Inc NEW YORK NY US
Current assignee: EOS TECHNOLOGIES Inc NEW YORK NY US
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1989-07-06
Also published as: FI881129A0; WO1988000525A1; DE3790380T1; IL83098A0; CA1296878C; BR8707379A; GB8805688D0; IL83098A; GB2200798A; US4726991A; GB2200798B; ZA874987B; PT85298B; JPS63100702A; NO881052L; ES2005902A6; AU7695087A; AR241388A1; EP0278957A4; WO1988000526A1

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Schutz elektronischer Geräte vor elektrischen Überlastungen und insbesondere den Schutz elektronischer Geräte vor Überlastungsspitzen mit extrem raschen Anstiegszeiten und hoher Spitzenenergie.

Stand der Technik

Es ist bekannt, da/3 elektronische Schaltkreise vor Spitzen der Spannungs- und Strombedingungen geschützt wurden müssen, die die Kapazität des Schaltkreises übersteigen. Derartige elektrische Spitzen können den Schaltkreis zerstören und können Betrieksfehler verursachen. Insbesondere ist der Schutz vor Störungen durch elektrische Überlastungen bei modernen elektronischen Kommuno-kations- und Steuersystemen erforderlich, deren mikroelektronische Festkörperkomponenten gegenüber exzessiven Strömen und Spannungen sehr empfindlich sind.

Es sind verschiedene Geräte und Verfahren zum Schutz gegen begrenzte elektrische Überlastungen bekannt. Im einfachsten Fall ist es üblich, elektronische Geräte mit geerdeten Drahtabschirmungen vor elektromagnetischen Spitzen abzuschirmen. Derartige Abschirmungen schützen jedoch elektronische Geräte nicht vor Störungen durch elektrische Überlastungsspitzen, die in abgeschirmte Schaltkreise über Verbindungsleiter eindringen. Um die Schaltkreise vor derartigen Störungen durch Überlastungsspitzen zu schützen, werden eine Reihe von Schutzgeräten üblicherweise entweder allein oder in Kombination miteinander benutzt. Derartige Geräte umfassen Sicherungen, Funkenstrecken, Varistoren, Zenerdioden, Transzorber, Dünnfilmgeräte, BypassHKondensatoren, Induktivitäten (Spulen) und Filter* Diese Vorrichtungen werden oft als Spannungsunterdrücker oder Spannungsableiter bezeichnet, können aber allgemein als

Vorrichtungen zum Schutz vor elektrischen Überlastungen (EOS) beschrieben werden. Bei ihrer Verwendung werden die EOS-Schutzvorrichtungen zwischen einen zu schützenden Schaltkreis und Erde verbunden oder zwischen eine zu einem zu schützenden Schaltkreis führende Verbindungsleitung und Erde. Ihr Zweck besteht darin, EOS-Spitzen zur Erde abzuleiten, bevor die aus den Spitzen resultierende Energie den geschützten Schaltkreis zerstören kann.

Für den vorliegenden Zweck kann eine EOS-Spicze dp'iniert werden als eine Spitzenepeimiungs- oder Spitzenstrombedxngung, die den normalen Betrieb von Schaltkreisen zerstören oder zumindest stören kann. Elektrische überlastungsspitzen mit praktischer Bedeutung können aus einem elektromagnetischen Impuls (EMP), Blitz oder einer elektrostatischen Entladung (ESD) entstehen. Derartige Spitzen können innerhalb von Zeiträumen, die von weniger als einigen Nanosekunden bis zu mehreren Mikrosekunden reichen, ihre Maximalamplituden erreichen, und sie können sich wiederholen. Nachstehend werden EOS-Spitsen gelegentlich auch als Impulse oder Spannungsstö/3e bezeichnet.

Ein übliches Beispiel einer ESD-Überlastungsspitze entsteht, wenn sich statische Elektrizität auf Personen aufbaut, die in »it Teppichen ausgelegten Büros Isolierkleidung tragen. Die ESD-Spitze zur 7eit der Entladung kann Spannungen von mehr als 20 000 Volt und Ströme von mehr als 40 Ampere aufweisen; derartige Spitzen können elektronische Bauteile in Computern oder anderen elektronischen Geräten stören oder zerstören« ESD-Spitzen können ihre Spitzenentladungsspannungen in weniger als einigen Nanosekunden erreichen und sind deshalb schneller als herkömmliche Vorrichtungen zum Schutz gegen Überlastungen.

Blitzschlag ist ein weiteres Beispiel von EOS-Spitzen, die elektronische Schaltkreise negativ beeinflussen können« Fdn Blitzschlag innerhalb einer Entfernung von einiges Meilen kann ausreichende elektromagnetische Energie abstrahlen, lim Impulsamplituden von mehreren 1000 Volt in Energieleitungen zu

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erzeugen» Typischerweise beträgt die Zeit, in der durch Blitz verursachte Spitzen ihr Maximum erreichen, einige Mikrösekun- ^ den Und deshalb sind derartige Spitzen einige lÖÖO mal läng- | samer als ESD-Spitzen.

EMP-Spitzen werden durch Kernwaffen oder andere hohe Energien erzeugende Vorrichtungen erzeugt. Beispielsweise kann eine Kernexplosion in einem Radius von mehr als 600 Meilen elektrische Felder erzeugen, die 50 Ö0O V/m übersteigen. Die Maximalamplituden derartiger Felder können innerhalb einiger Nanosekunden erreicht werden, und die resultierenden EOS-Spitzen können Kommunikationsvorrichtungen und andere elektronische Geräte au/3 er Betrieb setzen.

Durch EMP verursachte Bedrohungen für mikroelektroflische Bauteile, insbesondere pn-Feldeffekttransistoren und Mikrowellendioden, werden von H.R. Philipp und L.M. Levinson in dem Artikel "NbO Devices for SUbnanosecond Transient Protection",J.App. Phys. 50(7), Juli 1979 diskutiert. Die Autoren betonen, da/3 herkömmliche Vorrichtungen den Zweck haben, Niederfrequenzschaltkreise gegen Blitz oder Schaltspannungsspitzen zu schützen und keinen geeigneten Schutz gegen rasch ansteigende EMP-Spitzen bieten. (Der Begriff "Anstiegszeit" betrifft die Zeit, innerhalb der eine Spitze ihre Maximalamplitude erreicht.)

Ein einfaches Beispiel für eine Vorrichtung zum Schutz gegen elektrische Störungen ist eine herkömmliche Sicherung. Sicherungen sind empfindlich für Stromflujß in Energieleitungen und erwärmen sich bei hohem Stromflu/J, bis sie brechen; nach ihrem Bruch bewirken die Sicherungen offene Schaltkreisbedingungen. Da die Erwärmung einige Zeit erfordert, sind Sicherungen in Situationen nicht geeignet, in denen ein extrem rasches Ansprechen erforderlich ist. Beispielsweise antworten Sicherungen nicht in geeigneter Weise auf EOS-Spitzen mit Anstiegszei-

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stüng erforderlich ist, nicht geeignet, weil sicherungen nach ihrem Ansprechen auf eine EOS^Bedingung irreversibel zerstört weiföeii und ersetzt werden müssen* Eö wäre für Sicherungen eine wünschenswertere Eigenschaft, da;8 sie ihre Schutzwirkung automatisch wiedergewinnen, nachdem sie Schutz gegen eine EOS-Spitze geboten haben.

Tatsächlich weisen mehrere herkömmliche Vorrichtungen zum Schutz gegen Überlastung in gewissem Maße die Fähigkeit auf, ihre Schutzeigenschaften automatisch wiederzugewinnen, nämlich insbesondere Varistoren. Varistoren weisen üblicherweise eine Charakteristik auf, die als "Klemmspannung" (clamping voltage) bekannt ist. Für Spannungen unterhalb des Klemmwerts bietet ein Varistor einen hohen Widerstand und wirkt deshalb im wesentlichen als offener Schaltkreis. Andererseits bietet ein Varistor für angelegte Spannungen, die den Klemmwert wesentlich überschreiten, einen wesentlich reduzierten Widerstand, um die elektrische Spitze mit hoher Amplitude zur Erde abzuleiten. Dementsprechend wird ein Varistor, wenn er mit einer Signale tragenden Leitung verbunden ist, die Signale auf der Leitung bei normalen Spannungen nicht beeinflussen, sondern wird EOS-Störungen mit hoher Amplitude ableiten, zumindest Störungen mit relativ langsamen Anstiegszeiten.

Die Eigenschaft, hohen Widerstand bei Spannungen unterhalb einer Klemmspannung und niedrigen Widerstand bei Spannungen oberhalb der Klemmspannung zu zeigen, wird nachstehend als nicht-linearer Widerstand (NLR) bezeichnet. Es sind verschiedene Materialien bekannt, die derartige NLR-Eigenschaften aufweisen; ein übliches Beispiel ist Zinkoxid. Derartige Materialien werden in zahlreichen Vorrichtungen zum Schutz gegen Überlastung verwendet; beispielsweise werden Varistoren häufig aus Z.inkoxidteilchen hergestellt. Wenn diese Materialien in dem Zustand mit hohem Widerstand sind, spricht man davon, da/3 die Materialien im Aus-Zustand (off-state) sind; wenn die Materialien in dem Zustand mit ftieäfigefi Widerstand sind.

spricht man davon, da/3 die Materialien im An-Zustand (onstate) sind*

Varistoren sind kommerziell erhältlich mit ausreichenden Zitaten, um Überlastungsschutz gegen relativ hohe Spitzenenergiemengen zu bieten, wie sie bei durch Blitz Verursachten Spannungsstö/3en auftreten. Ein Nachteil von Varistoren ist je-* doch ihre relativ hohe Kapazität, durch die Ansprechzeiten verzögert werden. Der Aufbau und Betrieb von Varistoren ist beschrieben in "The Transient Voltage Suppression Manual", vierte Auflage, veröffentlicht 1983 von General Electric Company, USA. Nach diesem Handbuch sind Varistoren in der Lage, bis zu 200 J Energie mit einem StromflujS von bis zu 6000 A zu bewältigen. Die Mikrostruktur des Varistorenmaterials besteht aus Körnern aus gesintertem Metalloxidpulver, die die Eigenschaft haben, da/3 die Spannungsabfälle über Zwischenkorngrenzen nahezu konstant sind, üblicherweise etwa 2 bis 3 V pro Korngrenze, und zwar unabhängig von der Korngröße*

Ein besonderes Varistorenmaterial ist im US-Patent 4,103,274 vorgeschlagen. Nach diesem Patent kann ein Varistor aus poly- ' kristallinem Metalloxid hergestellt werden, insbesondere aus einem Verbund aus Metalloxidkeramikteilchen in einer Kunstharzmatrix.

Mehrere andere Vorrichtungen, die üblicherweise in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden, zeigen NLR-Verhalten und wurden verwendet, um Schutz gegen elektrische Überlastungen zu bieten. Typische Beispiele für derartige Vorrichtungen sind Halbleiterdioden, Transistoren und Zenerdioden. Insbesondere Zenerdioden haben die Eigenschaft, nahezu unendlichen Widerstand zu bieten, bis die angelegte Spannung einen Schwellenwert erreicht, wobei der Widerstand danach rasch abfällt. Obwohl Zenerdioden verglichen mit anderen Überlastschutzvorrichtungen eine relativ rasche Ansprechzeit aufweisen, weisen sie eine relativ hohe Kapazität auf und haben deshalb wesentliche Verzögerungszeiten, wenn sie EOS-Spitzen mit Anstiegszeiten in

. ich oder darunter ausgesetzt sind* Zenerdioden haben auch relativ beschränkte Betriebsbereichä und sind nicht in der Lage, größe Energiemengen handzuhaben*

Zenerdiöden und andere üblicherweise verwendete Vorrichtungen zum EOS-Schutz zeigen üblicherweise auch ein wesentliches überschwingen (overshoot), wenn sie raschen Spitzen ausgesetzt sind, wie beispielsweise durch einen EMP verursachten Spitzen. Del" BcyXZff "ViiSTSOiiWXTi^cTi" iJeuiifft &agr;&kgr;&pgr; Betrag/ UIB uefi Sie Spitzenspannung die "Klemmspannung" (Pegelspännung) einer Überlastschutzvorrichtung übersteigt, bevor die Vorrichtung leitend wird. Beispielsweise kann in Dioden ein derartiges Überschwingen wegen Induktivitäten in den Leitungen Und wegen der Zeit auftreten, die erforderlich ist, um die p-n-Diffusionsschichten in den Dioden aufzuladen. Da die mit einer Überlastschutzvorrichtung verbundenen Schaltkreise während des Überschwingens beschädigt werden können, sollte das über-Echwingen üblicherweise sowohl in seinem Betrag als auch in seiner Dauer möglichst klein sein.

Vorrichtungen mit Entladungsstrecken haben a-uch die Fähigkeit, zum EOS-Schutz relativ große Energien handzuhaben. Im Betrieb leiten Entladungsstrecken dadurch, da/3 sie hochionisierte Leitungskanäle mit nahezu vernachlässigbarem Widerstand bilden. Da für Vorrichtungen mit Entladungsstrecken Zeiten bis zu mehreren Mikrosekunden notwendig sind, um genügend Energie aufzunehmen, um derarta-yi Kanäle zu erzeugen, weisen Vorrichtungen mit Entladungsstrecken ebenfalls ein wesentliches "Überschwingen" auf, bevor sie stark leitfähig werden. Nachdem eine Vorrichtung mit Entladungsstrecke leitfähig wird und niedrigen Widerstand aufweist, kann sie auch die geschützten Schaltkreise kurzschließen.

Dünnfilmvorrichtungen zum EOS-Schutz umfassen mehrere diskrete Festkörpermaterialien, bei denen Strom in engen Kanälen geleitet wird. Die Kanäle weisen typischerweise eine Größe im Submikronbis Mikronbereich auf und können deshalb nur relativ

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kleine Energiemengen aufnehmen, bevor sie thermisch beschränkt werden, in der Praxis zeigen Dünnfilmvorrichtungen ein wesentliches "Überschwingen" und können ihre Erholungseigenschaften verlieren, nachdem sie auf eine relativ kleine Zahl derartiger 1 Spitzen reagxert haben. |

Filter weisen üblicherweise Kombinationen von Widerständen, &psgr;

Kondensatoren, Induktoren und Festkörperelementen, wie Dioden, | Transistoren und Operationsverstärker auf. Filter sind beim

Schutz gegen starke EOS-Spitzen nur beschränkt anwendbar, da \

Filter definitionsgemäß gewisse Frequenzen durchlassen, wäh- j

rend sie andere Frequenzen blockieren. Beispielsweise leiten *

Kondensatoren Hochfrequenzsignale, während sie Niederfrequenz- i

signale sperren. Da viele Spitzen mit rascher Anstiegszeit I

braite Frequenzbänder enthalten, die sehr hohe oder sehr nied- | rige Frequenzkomponenten umfassen, sind herkömmliche Filter zum EOS-Schutz nicht geeignet.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß herkömmliche Vorrichtungen und Stoffe keinen geeigneten Schutz bei Störungen mit elektrischen Spitzen mit Anstiegszeiten von weniger als [ einigen Nanosekunden und breiten Frequenzspektren bieten. Außerdem haben die einzelnen Arten von Überlastungsschutzvorrichtungen jeweils ihre Nachteile, insbesondere die Unfähigkeit, ihre Schutzeigenschaften wiederzugewinnen, nachdem sie mehrfach EOS-Spitzen mit hohen Energien und raschen Anstiegszeiten ausgesetzt waren. j"

Aufgaben und Kern der Erfindung |

Eine Hauptaufgabe und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung mit nicht linearem ; Widerstand bereitzustellen, um Schaltkreise gegen sich wiederholende elektrische Spitzen mit Anstiegszeiten im Bereich von § einigen Nanosekunden oder Weniger zu schützen, f

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Insbesondere besteht eine Aufgabe und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin,eine Vorrichtung zu-a elektrischen Überlastungsschutz mit nicht-linearen Widerstandseigenschaften bereitzustellen, das in der Lage ist, wiederholt auf Spitzen mit Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich anzusprechen, das nur geringfügiges oder steuerbares "überschwingen¹¹ aufweist und mit großen Energien umgehen kann.

Insbesondere besteht eine Aufgabe und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung auch darin,eine Vorrichtung mit nicht-linearem Widerstand und den vorstehenden Eigenschaften bereitzustellen, das durch Auswahl verschiedener Verbindungen oder verschiedener Geometrien selektiv so gestaltet werden kann, da/? es selektiv bei Spannungen zwischen 5 V und einigen tausend V funktioniert.

Zusarrcnsnfassend stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode und einem dazwischen angeordneten Matrixmaterial mit nicht linearem Widerstand zum Schutz gegen elektrische überlastung bereit, das eine im wesentlichen halogene Mischung diskreter Teilchen (Partikel) aus leitfähigen Materialien mit Größen von weniger als einigen hundert um, diskrete Teilchen (Partikel) aus halbleitenden Materialien ebenfalls mit Größen von wenigen als einigen hundert &mgr;&igr;&agr; und isolierendem Material aufweist, das die getrennten Teilchen (Partikel) beschichtet. Die Teilchen sind im wesentlichen homogen innerhalb der Matrix gemischt, um eine hohe Zahl von Teilchenketten mit Trennabständen zwischen den Teilchen aufzuweisen, die ausreichend klein sind, um erhebliche Leitung zwischen den Teilchen durch das quantenmechanische Tunneln von Elektronen zu erlauben. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäjSe Vorrichtung ferner einen Binder oder ein Packmaterial auf, in dem die Teilchen aus leitfähigem Material und aus halbleitenden Material im wesentlichen homogen gemiscnt sind.

Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnete Matrixmaterial ist herstellbar mit ainem Verfahren zum Formulieren eines Materials (Stoffs) mit nicht-linearem Widerstand/ das

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die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen getrennter Teilchen aus leitfähigen Materialien and halbleitenden Materialien, wobei die Größe der Teilchen kleiner ist als etwa einige hundert &mgr;&tgr;&agr;, getrenntes Beschichten jedes Teilchens mit isolierendem Material, wobei die Dicke der Beschichtung nicht mehr als einige hundert Angström (einige zehn ran) beträgt, und Mischen der beschichteten Teilchen aus leitfähigem Material mit den beschichteten Teilchen aus halbleitendem Material zur Ausbildung einer im wesentlichen homogenen Matrix mit einer großen Zahl von Ketten von benachbarten Teilchen, die einen geringen Abstand voneinander aufweisen, um einen erheblichen Elektronentransport zwischen benachbarten Teilchen durch quantenmechanisches Tunneln als Antwort auf anliegende elektrische Spitzen zu ermöglichen.

Ein wesentlicher /orteil des erfindungsgemäßen Überlastschutzmaterials besteht -iarin, da/? es einfach in einer großen Zahl von Formen hergestellt werden kann, so da/? es mit verschiedenen elektrischen und elektronischen Geräten einschließlich Antennen, elektrischen und elektronischen Schaltkreisen, Kabelbäumen, gedruckten Schaltungen und integrierten Schaltkreiseleleiftenten verbunden werden kann.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindungen sind für den Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung und der anliegenden Zeichnung ersichtlich, in denen anhand von Beispielen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts der erfindurigsgemäßen Vorrichtung in vergrößertem Maßstab,⁴

Figur 2 ist eine Teilansicht der Vorrichtung von Figur i in weiter vergrößertem Maßstab;

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I Figur 3 ist ein Diagramm, in dem die "Klemmspannung" (Auslöse-I spannung) gegen das Gewichtsverhaltnis des leitfähigen

&igr; Materials für eine bestimmte Formulierung des in der Vor-

s richtung von Figur 1 anqeordneten Materials aufgezeichnet ist,·

! Figur 4 ist ein Diagramm, in dem der Widerstand im Aus-Zustand

gegen den Polymergehalt (in Gew.-%) für eine andere bestimmte Formulierung des in der Vorrichtung von Figur 1 angeordneten Materials aufgezeichnet ist;

&xgr; Figur 5 ist ein Diagramm, in dem die Spannung gegen die Zeit

i für eine typische überlastung aufgezeichnet, ist, die

i auf mehrere Uberlastschutzvorrichtungen und -mcLteria-

' lien einschließlich des erfindungsgemä/3en Materials

', angewandt wird;

; Figur 6 ist eine schematische Darstellung einer aus der Vorrich-I tunq gemä/3 Figur 1 hergestellten Überlastschutzvor-

1 richtung; und

S Figur 7 ist ein schematisches Diagramm, das den Potentialab- > fall über die Teilchen innerhalb der Vorrichtung von Fi

gur 1 zeigt.

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Ausführliche -Beschreibung der -beVöifäugten AusführUnqsformen

Wie in Figur 1 dargestellt, Weist die erfindungsgemä/Je Vörrichtuncf zum Schütz gegen elektrische Überlastung ein allgemein mit dan Bezugszeiuhen 9 bezeichnetes Matrixmaterial aus statistisch gemischten getrennten leitfähigen Teilchen 11 und halbleitenden Teilchen 13 auf, die nahe beieinander angeordnet sind, aber strukturell voneinander durch ein isolierendes Material 15 geurcüilu 53LHu, uS3 ««&Pgr;&Pgr; Efenüüj XSu, cuü eifi (JUäntcniüeGiiäniSCheä Tunneln von Elektronen zwischen den Teilchen 11 und 13 zu erlauben. Die Volumina der Zwischenräume zwischen den leitfähigen Teilchen 11 und den halbleitenden Teilchen 13 sind mit einem Bindermaterial 19 gefüllt. Der in Figur 1 gezeigte Querschnitt des Matrixmaterials 9 wird zwischen oberen Und Unteren plattenförmigen Metallelektroden 21 und 23 gehalten. Es ist festzuhalten, da/3 die Abmessung der Matrix 9, die die beiden Elektroden 21 und 23 trennt, mindestens ein Mehrfaches der Grö/3en der Teilchen 3,1 und 13 beträgt. Die Konfiguration der Elektroden 21 und 23 hängt von dem jeweiligen Verwendungszweck ab.

Um die Funktion des Matrixmaterial 9 allgemein zu verstehen, kann man annehmen, daß die Elektrode 21 mit Schaltkreisen verbunden ist, die vor EOS-Spitzen geschützt werden sollen, und daß die Elektrode 23 mit Masse verbunden ist. Somit wirkt das Matrixmaterial 9 als Zwischenglied zwischen den Elektroden 21 und 23.

Bis Eigenschaften des Matrixsatsrials 9 umfassen einen höhen Widerstand von üblicherweise mehr als IQ⁹ öhm/cm im ausgeschalteten Zustand und einen niedrigen Widerstand von üblicherweise 1 bis 1000 Ohm/cm im eingeschalteten Zustand. Außerdem kann das Matrixmaterial 9 in Zeiträumen von weniger als 1 NanoseJcunde vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand umschalten, wenn es auf EOS-Spitzen mit Anstiegszeiten im Subnanosekundenbereich anspricht. Ein derartiges Ansprechen des Matrixmaterials 9 kann ohne wesentliches Oberschwingen

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auftreten* Außerdem weist das Matrixmaterial 9 die überra-^ sehende Eigenschaft auf, da/3 es öeine Fähigkeit zum Umschalten zwischen dem eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand behält i nachdem es wiederholten Hochenergiespitzen mit Spannungen Von etwa 50 000 V ausgesetzt ist.

Die leitfähigen Teilchen 11 in dem Matrixmaterial 9 weisen eine Größe von weniger als 100 /im auf und können im Fall der Verwendung vsn Ru/Spulvsr {Garben black) stvs IGO Ä (10 nm) klein sein« Der bevorzugte Bereich der Teilchengröße der halbleitenden Teilchen 13 beträgt im allgemeinen zwischen etwa 0,1 /im bis etwa 100 ^m, wobei relativ wenige Teilchen außerhalb dieses Bereichs liegen sollten. In der Praxis wird die Zahl der Teilchen, die die obere Bereichsgrenze überschreiten, deshalb minimalisiert, weil größere Teilchen dazu neigen, einzelne Leitungspfade zu bilden, die die Eigenschaften des Matrixmaterials 9 negativ beeinflussen, insbesondere die Fähigkeit, wiederholte Spitzen zu überleben, und die einen kastrophalen dielektrischen Durchbruch verursachen können.

Wie am besten aus Figur 2 ersichtlich, sind die leitfähigen Teilchen 11 und die halbleitenden Teilchen 13 individuell mit einem elektrisch isolierenden Material 15 beschichtet* In der Praxis kann das Isoliermaterial 15 selbst Teilchen im Bereich zwischen etwa 70 A (7 nm) und etwa 300 A (30 nm) aufweisen. Die Größe der isolierenden Teilchen als solche beträgt etwa 1/10 bis 1/10 000 der Größe der beschichteten leitfähigen Teilchen 11 und halbleitenden Teilchen 13.

In der Praxis bestehen die leitfähigen Teilchen 11 vorzugsweise aus Carbonylnickel, insbesondere INCO Typ 255 Carbonylnickelpulver. Die leitfähigen Teilchen 11 zur Verwendung in dem Matrixmaterial 9 können jedoch auch aus anderen praktisch anwendbaren leitfähigen Materialien bestehen, beispielsweise aus Tantalkarbid, Titankarbid, Nickel, Wolfrainkarbid, Borkarbid, Zirkoniumkarbid, Ruß, Graphit, Kupfer, Aluminium,

Molybdän, Silber, Gold, zink, Messing, Cadmium, Bronze, Eisen, Zinn-E^ryllluffi, Blei, Böriden und Mumetall.

Das leitfähige Material, aus dem die leitfähigen Teilchen 11 hergestellt sind, sollte einen Widerstand im Bereich von etwa 10"¹ Ohm/cm bis etwa 10~⁶ Ohm/cm aufweisen. Einige geeignete Materialien weisen die folgenden Widerstände auf:

1 &khgr; 10⁼⁴ Ohm/cm Titankarbid 7 &khgr; 1Ö™⁵ Ohm/cm Niobkarbid

2 &khgr; 10⁵ Ohm/cm Tantalkarbid 1 &khgr; 10""⁵ Ohm/cm Wolframkarbid

6 &khgr; 10~⁵ Ohm/cm Zirkoniumkarbid

Bei einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, die leitfähigen Teilchen 11 aus Metallsiliziden auszubilden, weil diese Materialien einen metallartigen Widerstand und Stabilität bei hohen Temperaturen aufweisen. Verschiedene Metallsilizide, die als Material für die leitfähigen Teilchen 11 geeignet sind, sind beschrieben in "Silicides for VLSI Applications", S.P. Murarka (Academic Press, 1983), Seiten 30 und 31.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, weisen die leitfähigen Teilchen 11 und die halbleitenden Teilchen 13 im allgemeinen irreguläre Konfigurationen mit zahlreichen scharfen Punkten oder zungenförmigen Spitzen (Nadeln) auf. Diese Formen weisen tatsächlich gewisse Vorteile auf. Materialien mit nadelfonnigen Spitzen, wie Carbonylnickel, verstärken die elektrischen Felder zwischen den Teilchen und fördern auf diese Weise die Leitung im Matrixmaterial 9. Ein besonderer Vorteil der Feldverstärkung ist die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit des Matrixmaterials 9 zwischen dem ausgeschalteten und dem eingeschalteten Zustand als Antwort auf EOS-Spitzen mit raschen Anstiegszeiten.

Die lifilfaleitenäftn Teilchen 13 Kennen aus "iecLeiii hayTcö Halbleitermaterial hergestellt sein. Die bevorzugten Materia-

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lien sind ^ßisp^lswöise Siliziumkarbid, Beryll iumkarbiid, ciümoxid, Chalcogenide, dotiertes Silizium, Nioboicid, Vanadiümoxide, Indiumantimonid, Eisenoxid, BorkarMd, Selen, Bleisulfid, Bleitellürid, Cadmiumsulfid, Zinksülfid, silbereulfid, Titandioxid, Bor, Selen, Tellur, Germanium und Vanadiumcarbid. Organische Halbleiter und durch das Sol-Gel-Verfahren hergestellte Halbleiter können ebenfalls verwendet werden.

Ficmr 3 zeigt die Wirkung bei der Klemmspannung (Pegelspannung) von verschiedenen Zusammensetzungen des Matrixmaterials 9 in Abhängigkeit vom prozentualen Gehalt an leitfähigem Material und halbleitendem Material* Die Klemmspannungen wurden gemessen auf der Basis von wiederholten Anwendungen eines 1000 V-Impulses. Das für den Test verwendete bestimmte Matrixmaterial war nur aus Nickel als leitfähiges Material und Siliziumkarbid als halbleitendes Material ausgebildet. Die Testergebnisse zeigen, da/3 die Klemmspannung sich der Größe der angelegten Spitze annähert, bis der prozentuale Anteil des leitfähigen Materials auf mehr als 10 % ansteigt. Wenn der relative prozentuale Anteil der leitfähigen Teilchen ruf über etwa 50 % erhöht wird, nimmt die Klemmspannung auf einen relativ kleinen Teil der Größe des angelegten Impulses ab.

Allgemein gesprochen muß das isolierende Material 15, das die Teilchen 11 und 13 bedeckt, dünn genug ausgebildet sein, so daß quantenmechap-'sches Tunneln zwischen eng benachbarten Teilchen ohne katastrophalem dielektrischen Zusammenbruch auf ^ treten kann. (Unter katostrophalen dielektrischem Zusammenbruch wird hierin die irreversible Bildung von Kurzschlußpfaden durch das Matrixmaterial 9 verstanden.) Geeignetes isolierendes Material 15 kann in Form von kleinen Teilchen oder als dünnschichtartige Beschichtungen ausgehilSer. - .&ldquor;.&eegr;. Eine filmartige Beschichtung kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß leitfähige Teilchen 11 in Gegenwart von Sauexstoff reagieren, um Metalloxid-Oberflächenschichten auf den Teilchen auszubilden. (Derartige Reaktionen werden selbst-

verständlich vor dem Mischen der leitfähigen Teilchen 11 in das Matrixmaterial 9 durchgeführt.) Das isolierende Material 15 muß eine Art Material sein, das ohne chemische Reaktion mit anderen Materialien in der Matrix in das Matrixmaterial 9 eingebracht werden kann.

In der Praxis ist das isolierende Material 15 vorzugsweise eine Art von Siliziumdioxid, vorzugsweise pyrogene Kieselsäure (fumed silicone dioxide), wie sie z.B. unter dem Warenzeichen Cab-O-Sil erhältlich ist. Andere geeignete isolierende Materialien sind Kaolin, Kaolinit, Aluminiumtrihydrat, Feldspat, verschiedene Arten von Siliziumoxid (Silika), kugelförmiges Glas, Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Calciumsulfat und verschiedene öle.

Eine Funktion des isolierenden Materials 15 besteht darin, eine in engem Rahmen gesteuerte strukturelle Trennung zwischen den leitfähigen Teilchen 11 und den halbleitenden Teilchen 13 auszubilden. Damit die vorteilhaften Eigenschaften des Matrixmaterials 9 vollständig realisiert werden können, sollte eine gro/3e Zahl von leitfähigen Teilchen 11 und halbleitenden Teilchen 13 voneinander nur durch Abstände im Bereich von etwa 50 A (5 nm) bis zu mehreren 100 A (mehreren zehn nm) getrennt sein. Die optimalen Abstände zwischen den Teilchen hängen von den Elementen ab, aus denen die halbleitenden und leitenden Teilchen ausgebildet sind, und von den zu erwartenden anliegenden elektrischen Feldern. In jedem Falle sollte eine wesentliche Zahl der Zwischenteilcher.abstände genügend klein sein, um eine elektrische Leitung zwischen eng benachbarten leitfähigen Teilchen 11 und halbleitenden Teilchen 13 durch quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, im Mittel des gesamten Materials, als Antwort auf elektrische Spitzen zu ermöglichen.

In Abwesenheit von isolierendem Material 15 (21), erholt sich das Matrixmaterial 9 nach einer Störung mit hoher Energieüberbelastung nicht, sondern formt stattdessen einen relativ per-

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manenten Nebenschlu/3 mit niedriges. Widerstand zur Kasse. Die Fähigkeit des Matrixmaterials 9, auf hechenergetische Spitzen zu reagieren und danach in einen Zustand mit hohem Widerstand zurückzukehren, kann als "Überlebensfähigkeit¹¹ bezeichnet werden.

Ein weiterer Zweck des isolierenden Materials 15 liegt darin, eine ausreichende physikalische Trennung der leitfähigen Teilchen 11 voneinander herzustellen, um einen hohen Widerstand im ausgeschalteten Zustand auszubilden. In Abwesenheit von isolierendem Material 15 könnten benachbarte leitfähige Teilchen 11 leitende Ketten durch das Matrixmaterial 9 bilden. Dies hätte zur Folge, daß der Massenwiderstand des Matrixmaterials 9 im ausgeschalteten Zustand unannehmbar niedrig wäre.

Das Bindermaterial 19 kann sowohl Materialien im festen Zustand als auch Materialien in fluidem Zustand, d.h. gasförmige oder flüssige Materialien umfassen. Im flüssigen oder halbflüssigen Zustand bildet das Bindermaterial 19 einerseits Abstände zwischen den Teilchen aus und andererseits füllt es die Zwischen- oder Hohlräume zwischen den Teilchen 11 und 13. Obwohl feste Bindermaterialien eine mechanische Bindung zwischen den Teilchen ausbilden können, ist diese Funktion nicht kritisch, aber es ist günstig, damit das Matrixmaterial 19 einfach in verschiedenen Größen und Formen wie gewünscht hergestellt werden kann, um einfach mit den zu schützenden Bestandteilen verbunden zu werden. Wenn keine mechanische Bindung zwischen den Teilchen ausgebildet ist, muß ein struktureller Sehälter für das Matrixmaterial 9 vorgesehen sein. Die Art des Behälters oder der Verpackung hängt von Design und der Verwendungsweise ab und kann herkömmlich sein. Herkömmliche Verpackungsmaterialien umfassen beispielsweise Keramik, Epoxidharz, Polymere, Farbe, Öl und Metall. Typischerweise ist ein isolierender Behälter mit Elektroden Vorgesehen, die geeignet angeordnet sind, um einen ausreichenden Kontakt mit dem darin enthaltenden Matrixmaterial 9 auszubilden.

Allgemein gesprochen, ist das Bindermaterial 19 ein elektrisch isolierendes Material mit einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 10¹² und 10¹⁵ Ohm/cm. In der Praxis ist das Bindermaterial 19 vorzugsweise ein thermisch härtbares Polymer einschließlich Epoxidharzen, Thermoplasten, Kautschuk, Gummi, Polymerlegierungen und Mischungen davon. Das Bindermaterial 19 kann auch aus anderen herkömmlichen elektrisch isolierenden Materialien bestehen; geeignete Materialien in verschiedenen Falles sind beispielsweise Keramik, Öl, pyrogene Kieselsäure und sogar Wasser, Luft, Vakuum und Gläser, wie beispielsweise N₂ und SF₆.

Da das Bindermaterial 19 ein elektrischer Isolator ist, kann es die Klemmspannungen des Matrixmaterials 9 beeinflussen. Beispielsweise können Matrixmaterialien mit denselben in Gewichtsprozent gemessenen Zusammensetzungen aus halbleitenden Teilchen 13 ur.d leitfähigen Teilchen 11 in Abhängigkeit von der speziellen Art des verwendeten Bindermaterials 19 unterschiedliche Klemmspannungen liefern. Dieser Effekt ist in erster Linie eine Funktion der Dielektrizitätskonstanten des Bindermaterials 19. Deshalb besteht ein Vorteil der Ausbildung des Bindermaterials 19 aus einem Polymer darin, daß die gesamte Dielektrizitätskonstante des Matrixmaterials 9 verringert werden kann, die normalerweise klein sein sollte, wenn das Matrixmaterial 9 eine kleine Kapazität aufweisen soll. Falls eine höhere Kapazität erforderlich is-c, wie wenn beispielsweise das Matrixmaterial 9 bei der Herstellung von Schaltelementen, wie Bandleitungen, PCB-Materialien, Kabeln, Koaxialleitern oder anderen Vorrichtungen verwendet wird, bei denen die Impedanz der Übertragungsleitungen wichtig ist, kann die Dielektrizitätskonstante des Bindermaterials 19 selektiv vergrößert werden, um die gewünschte kapazitive Impedanz zu erhalten.

Das Bindermaterial 19 beeinflußt auch den Widerstand des Matrixmaterials 9 im ausgeschalteten Zustand. Deshalb zeigt Fi-

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gur 4 den Widerstand im ausgeschalteten Zustand als Funktion des Anteils in Gewichtsprozent eines polymeren Bindermaterials 19. Die Vertikalachse des Diagrams gemäß Figur 4 ist logarithmisch dargestellt. Die Menge des Bindermaterials 19, die erforderlich ist, um den Widerstand dar Matrix 9 im ausgeschalteten Zustand signifikant zu verändern, beträgt typischerweise über etwa 10 % bis etwa 35 % in Gewichtsteilen, wobei das Matrixmaterial 9 relativ leitfähig ist, bis der Gehalt des Bindermaterials auf etwa 30 % ansteigt.

_:t Um den Widerstand im ausgeschalteten und eingeschal .eten Zustand weiter zu steuern, können dem Bindermaterial 19 Weichmacher und Haftvermittler zugesetzt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, da/3 der Zusatz von 1 bis 5 Gew.-% Weichmachern im Bereich von 10 000 eps bis 20 eps (10 000 bis 20 see"¹) eine Variation des Widerstandes des Matrixmaterials Q im ausgeschalteten Zustand um etwa 6 Zehnerpotenzen verursacht.

Ein besonderes Beispiel einer Formulierung des Matrixmaterials 9 ist 2 % Cab-O-Sil, 12 % Carbonylnickel, 30 % Epoxidharz und 56 % Siliciumcarbid (jeweils Gewichtsteile). Ein noch typischeres Beispiel einer Formulierung des Matrixmaterials 9 ist 22,5 % Carbonylnickel, 43 % SilJciumkarbid, 2,5 % Cab-O-Sil und 32 % Epoxidharz- Bei diesen Zusammensetzungen sind die leitfähigen Teilchen 11 aus Carbonylnickel, die halbleitenden Teilchen 13 aus C'iliciumkarbid, das Isoliermaterial 15 aus Cab-O-Sil, und das Bindermaterial 19 aus Epoxidharz hergestellt. In einer typischen Zusammensetzung enthält das Matrixmaterial 19 im allgemeinen etwa 1 bis 50 Gew.-% leitfähiger Teilchen 11.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße.Vorrichtung

überraschend wirksam auf elektrische überlastungsspitzen mit Anstiegszeiten von weniger als etwa 0,5 ns reagieren- Es hat sich gezeigt, daß beim Ansprechen auf EOS-Spi^zen ■it Anstiegszeiten bis zum Maximum von mehr als 0,3 ns Und weniger als 1 bis 2 ns verschiedene Zusammensetzungen des Ma-

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trixmafcettials 9 kein wesentliches überschwingen zeigen. Figur 5 zeigt das typische Verhalten des Matrixmaterials 9 als Antwort auf elektrische Spitzen mit einer Energie von etwa 1 J. Figur 5 zeigt ferner die Übergangsbedingüngert, die auftreten, wenn die gleiche Spitze auf andere (herkömmliche) Überlast*» schutzvorrichtungen angewandt wird« Beispielsweise zeigt die Kurve "S" in Figur 5 Spannungen, die über eine typische Vorrichtung mit Funkenstrecke auftreten, die derselben Überla^ stungsspitze ausgesetzt ist* Die Kurve "V" zeigt die Spannungsbedingungen, die über einen typischen Varistor auftreten/ der derselben Spitze ausgesetzt ist. In ähnlicher Weise zeigt Kurve "Z" die Spannungen über eine typische Zenerdiode, die derselben Spitze ausgesetzt ist.

Gemäß Figur 5 wird die Kurve "M" für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit eiern Matrixmaterial 9 schnell eine annähernd konstante Funktion, die dem Klemmwert V_c entspricht. Es ist festzuhalten, daß die Klemmspannung V_c von der Zusammensetzung des Matrixmaterials und von den elektrischen Charakteristika der EOS-Spitze und der von dem Matrixmaterial geschützten Last abhängt. Allgemein gesprochen ist die Klemmspannüng V_c Umso höher, je größer das Maß einer an das Matrixmaterial 9 angelegten Spitze ist. Es ist auch festzuhalten, daß die anderen Überlastungsschutzvorrichtungen gemäß Figur 5 sich ebenfalls Klemmspannungen annähern, aber nicht so rasch wie das Matrixmaterial 9. Die Klemmspannungen, denen sich die anderen Vorrichtungen annähern, müssen auch nicht notwendigerweise dieselbe Größe haben wie die Spannung V_c.

Unter den herkömmlichen Überlastungsschutzvorrichtungen gemäß Figur 5 zeigt, die Vorrichtung mit Funkenstrecke das stärkste Überschwingen, wobei sie ihre Klemmspannung (Pegelspannung) um annähernd 1000 V überschreitet. Das zweitgrößte überschwingen zeigt der Varistor, der seine Klemmspannung um mehr als 400 V überschreitet. Im Gegensatz dazu ist das überschwingen beim erfindungsgemäßen Matrixmaterial 9 vernachlässigbar.

Die Zeit, zu der die Spannung als Antwort auf eine EÖSHSpitize den Klemmwert erreicht, kann als "Klemmzeit" (Pegelzeit) bezeichnet werden, und die Wirksamkeit des von der Überlastschutzvorrichtung bereitgestellten Schutzes kann in Abhängigkeit von den Klemmzeiten definiert werden* Gemäß Figur 5 beträgt die Klemmzeit der Zenerdiode etwa 2 ns· Es ist ersichtlich, da/3 das Matrixmaterial 9 wesentlich kürzere Klemmzeiten liefert als die anderen Überlastungsschutzvorrichtungen und stoffe, und deshalb effektiver ist. Bezüglich dieses Aspekts von Figur 5 ist zu betonen, daß an die herkömmlichen Vorrichtungen dieselbe Spannung wie an das Matrixmaterial 9 angelegt wurde, und da/J die herkömmlichen Vorrichtungen als Vertreter derartiger Vorrichtungen ausgewählt wurden, die üblicherweise in der Praxis unter ähnlichen Bedingungen verwendet würden* Somit zeigt Figur 5 das relative Verhalten von herkömmlichen Vorrichtungen im Vergleich zum erfindungsgemäßen Matrixmaterial *

Figur 6 zeigt eine Verbindungsleitung 51, die von einer allgemein mit dem Bezugszeichen 53 bezeichneten Vorrichtung geschützt wird, die aus dem erfindungsgemäßen Matrixmaterial ausgebildet ist. Als Leitung 51 sollte jede Art eines Leiters verstanden werden, der elektrische Signale oder Energie zu einem Netz trägt, das EOS-Schutz benötigt. In der Ausführungsform gemäß Figur 6 ist die Vorrichtung 53 ein hohlzylindrischer Abschnitt des Matrixmaterials, das zwischen der Leitung 51 und einer zylindrischen Hülle 57 angeordnet ist, wobei die Innenflächen des zylindrischen Abschnitts in physikalischem Kontakt mit der Leitung 51 steht und die radial äu/3ere Fläche des zylindrischen Abschnitts mit Hasse verbunden ist.

Beim Betrieb der Vorrichtung gemäß Figur 6 führt der Leiter unter normalen Bedingungen Signale zu dem geschützten Schaltkreis. Bei normalen Potentialdifferenzen zwischen der Verbindungsleitung 51 und Masse ist der Widerstand des Matrixmaterials ausreichend groß, daß ein vernachlässigbarer Strom durch das Matrixmaterial geleitet wird. Nach des Auftreten einer

hochenergetischen EOS-^Störung steigt jedoch die Spannung auf dem Leiter 51 stark an und der Widerstand des Matrixmaterial nimmt stark genug ab/ um einen elektrischen Nebenschluß vom Leiter 51 zur Masse auszubilden. Der durch das Matrixmaterial fließende Strom ist die Summe des Stroms aufgrund der EOS-Störung und des Stroms durch den Leiter 51 aufgrund der Tatsache, da/S er mit Masse kurzgeschlossen ist. somit entspricht die vom Matrixmaterial 9 gehandhabte Energie der Summe der von der Spitze abgeleiteten Energie plus der Energie, die in das Material von den elektrischen Systemen eingespeist wird, mit denen die Leitung 51 verbunden ist. Der Nebenschlußstrom fließt solange wie das Potential des Leiters 51 oberhalb der Klemmspannung des Matrixmaterials liegt.

Aus einem praktischen Gesichtspunkt ist das erforderliche Volumen des Matrixmaterials beim EOS-Schutz umso größer, je größer die erforderliche Fähigkeit zum Leiten von Energie ist. Wenn der geschützte Gegenstand beispielsweise ein einziger mikroelektronischer Bauteil ist, ist das erforderliche Volumen des Matrixmaterials relativ klein. Wenn andererseits ein geschützter Schaltkreis eine massive Antenne aufweisen sollte, würde das erforderliche Volumen relativ groß sein. Als allgemeine Auslegrsngsregel leitet das erfindungsgemäße Matrixmaterial etwa 10 J oder mehr Energie pro cm³, aber dieses Verhältnis kann in Abhängigkeit von den Materialien, aus denen das Matrixmaterial aufgebaut ist, wesentlich variieren. In der Praxis leitet das Matrixmaterial zwischen 0,5 J und einigen hundert J Energie in Abhängigkeit von der Masse des Matrixmaterials .

Die Betriebsweise des Matrixmaterials 9 wird nachstehend näher erläutert. Zunächst kann angenommen werden, daß eine geeignete Menge des Matrixmaterials 9 zwischen Masse und einem geschützten elektronischen Bauteil oder einem damit verknüpften Leiter geschaltet ist, und daß eine hochenergetische EOS-Spitze aufgetreten ist, die den geschützten Schaltkreis bedroht. Wenn die Spitze das Matrixmaterial 9 erreicht, breiten sich die mit

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! · der Spitze verknüpfton elektrischen Felder rasch über das Ma·^ terial aus. &eegr;&eegr;&udigr; .'amit verknüpfte elektrische Felder breiten sich ebenfalls über jedes Teilchen und jede Verbindung oder Barriere zwischen den Teilchen innerhalb des Materials aus* Die Felder können gleichzeitig mehrere Leitungsmechanismen in Gang setzen, und in Abhängigkeit von der seit dem Beginn der Spitze vergangenen Zeit können· verschiedenen Transportphänomene dominieren. Beispielsweise kann Strom zwischen benachbarten leitfähigen Teilchen 11 durch das Matrixmaterial 9 fliSßsn, Cdsr durch BindUnycii cwlauiicn uesiicXuiiuaiiteii

teDden Teilchen 13 oder zwischen benachbarten halbleitenden Und leitfähigen Teilchen. Solange die Spannung der EOS-Spitze über dem Klemmpegel des Matrixmaterials 9 liegt, treten Somit ^r· eine Vielzahl von Strompfaden innerhalb jedes Abschnitts des j Matrixmaterials 9 entlang Ketten Von Teilchen 11 und 13 auf.

Jt Bei den leitfähigen Teilchen 11 sind elektrische Felder aus I^ dem inneren Volumen der Teilchen ausgeschlossen. Dadurch wer- ^ den Felder über die halbleitenden Teilchen und über die isolierenden Materialverbindungen vergrößert. Die Felder werden ferner dort vergrößert, wo leitfähige Teilchen 11 scharfe H Spitzen aufweisen. Wenn deshalb der Widerstand in einer bestimmten Kette von benachbarten leitfähigen Teilchen 11 klein genug ist, fließt ein mit dem Ohm'sehen Widerstand der leitfähigen Teilchen 11 und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes verträglicher Strom durch die Kette.

'] Die halbleitenden Teilchen 13 können als einzelne, nicht-li-,: neare Widerstandselemente verstanden werden. Wenn sich ein angelegtes elektrisches Feld über die haibleitenden Teilchen 13 (9) ausbreitet, steuert die Zusammensetzung des halbleitenden Materials die Änderung in der Leitfähigkeit der einzelnen Teilchen und somit die Konduktanz der Kette halbleitendeT-Teilchen 13, die Strom durch das Matrixmaterial 9 tr&^^i. In anderen Worten heißt dies, daß die Zahl und die Zusammensetzung der halbleitenden Teilchen 13 im allgemeinen den Massenviderstand (Bahnenwiderstand) des Matrixmaterials 9 bestimmt.

Spannungsabfalle über die aus isolierendem Material 15 bestehenden Grenzschichtverbindungen tragen ebenfalls zum Massenwiderstand des Matrixmaterials 9 im eingeschalteten Zustand (An-Zustand) bei. Somit ist die gesamte Konduktanz des Matrixmaterials 9 direkt mit der serienparallelen Summe aller Spannungsabfälle für die leitenden Teilchen 11, die halbleitenden Teilchen 13 und die vom isolierenden Material 15 und Bindermateriel 19 ausgebildeten Grenzschichtverbindungen verknüpft.

Im Zusammenhang mit Figur 7 ist der Spannungsabfall über die halbleitenden Teilchen 13 mit V_sc, der Spannungsabfall über die leitenden Teilchen 11 mit V_M und der Potentialabfall über das die beiden Teilchen trennende isolierende Material 15 mit V_B (dais Grenzschicht- oder Barrierepotential) bezeichnet, figur 7 kann somit so verstanden werden, da/3 eine aus zwei Teilchen bestehende Teilkette innerhalb des Matrixmaterials 9 dargestellt ist. Die gesamte Potentialdifferenz entlang dieser Kette ist die Summe aus V_sc plus V_ß plus V"_M.

Mit Bezug auf Figur 7 ist ferner festzuhalten, da/3 die Beschichtung aus isolierendem Material 15 in dem Bereich, in dem das Teilchen 11 auf das Teilchen 13 stö/3t, in gewisser Weise verschoben ist. In der Praxis führt das Mischen der Teilchen zur Ausbildung des Matrixmaterial 9 oder nicht richtiges Beschichten der Teilchen manchmal dazu, da/3 leitfähiges Material direkt mit halbleitendem Material in Kontakt steht, oder daß leitfähiges Material in einem Teilchen direkt mit leitfähigem Material in einem anderen Teilchen in Kontakt steht oder da/3 halbleitendes Material in einem Teilchen direkt mit halbleitendem Material in einem anderen Teilchen in Kontakt steht. Derartige Unregelmäßigkeiten beeinflussen das Verhalten des Matrixaiaterials 9 nicht negativ, solange sie relativ isolierte Einzslfälle darstellen.

Nach delta Einleiten des Elektronentransports quantenünechanisChes Tunneln beginnen andere Trähsportmechänismert zu dominieiien ₄ Beispielsweise tritt thermionische Elektro-

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nenemission wahrscheinlich in der Nähe gleichzeitig mit dem Tunneln auf. Auch Elektronentransport durch Spannungsdurchbruch (Avalanche) und Zenerdurchbruch und Feldemissionseffekte kann auftreten. Die Folge der Anhäufung derartiger Elektronentransportmechanismen liegt darin, da/3 das Matrixmaterial 9 in hohem Maj9e nicht lineare Widerstandseigenschaften beim Vorliegen von durch Spitzen mit raschen Anstiegszeiten hervorgerufenen anliegenden Feldern aufweist.

Wenn das durch eine EOS-Spitze hervorgerufene Feld abnimmt, nehmen die Energiebarrieren an den Verbindungen zwischen leitenden Teilchen 11 und halbleitenden Teilchen 13 relativ zur Energie der Elektronen zu, die versuchen, diese Barrieren zu überschreiten. (In Zusammenhang mit Figur 7 sind die Energiebarrieren an den Verbindungsstellen als Spannungsabfall V_ß bezeichnet.) Infolgedessen wird der Widerstand des Matrixmaterials 9 rasch grö/Jer, wenn die Amplitude der Spitze ebnimmt und das Nebenschlußverhalten des Materials nimmt rasch ab.

Ein hauptsächliches Ziel bei der Herstellung des Matrixmaterials 9 besteht darin, eine Vielzahl von Ketten benachbarter Teilchen zu schaffen, wobei die Trennabstände zwischen den Teilchen entlang den Ketten klein genug sind, daß der Elektronentransport durch das die Teilchen trennende Isoliermaterial 15 zunächst durch das quantenmechanische Tunneln von Elektronen dominiert wird. Anders ausgedrückt, sind die leitenden Teilchen 11 und die halbleitenden Teilchen 13 durch das Isoliermaterial 15 genügend eng voneinender beabstandet, daß die Verbindungen zwischen den Ketten oder Gewebe bildenden Teilchen tatsächlich als Tunnelverbindungen bezeichnet werden können. In diesem Zusammenhang kann eine Tunnelverbindung als ein Abstand zwischen Teilchen definiert werden, der weniger als einige hundert A (einige zehn nm) beträgt. Beim Vorhandensein anliegender elektrischer Felder passieren die Elektronen an den Tunnelverbindungen durch das Isoliermaterial 15, obwohl die von der Verbindungsstelle öder Nahtstelle errichtetes Ener-

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giebarriere theoretisch die Energie mindestens einiger der Elektronen übersteigt, die durch die Barriere transportiert werden. Die Erklärung eines derartigen Verhaltens hängt von einem Wahrscheinlichkeitsmodell des Elektronenverhaltens ab, und man sagt, da/3 Elektronen, die die Grensschichtbarriere überqueren, dies durch "Tunneln" tun, und nicht deshalb, weil ihre Energien die Grenzschichtene_gie überschreiten. Weil Tunnelströme nahezu sofort auftreten, wenn die angelegten Felder einen Mindestwert überschreiten, ist anzunehmen, daj3 die relativ schnellen Ansprechzeiten des Matrixmaterials 9 durch Elektronentransport durch quantenmechanisches Tunneln hervorgerufen werden, wenn die angelegten Felder gro/3 sind, das Isoliermaterial 15 (25) eine dünne tatsächliche Grenzschichtbreite darstellt und die halbleitenden Teilchen 13 klein sind. Die Erhöhung der Leitung durch das quantenmechanische Tunneln aufgrund anderer Transportphänomene ist nicht nur wichtig für die Ansprechzeit des Matrixmaterials 9, sondern erhöht auch die Überlebens fähigkes it des Materials, d.h. verringert das Versagen aufgrund von Durchbrüchen.

Bei dem bevorzugten Verfahren zum Herstellen des Matrixmaterials 9 werden die leitfähigen Teilchen 11 einzeln mit Isoliermaterial 15 beschichtet und die halbleitenden Teilchen 13 werden ebenfalls einzeln mit Isoliermaterial 15 beschichtet. In diesem Zusammenhang ist die Bildung einer Oxidschicht auf den leitfähigen Teilchen 11 ebenfalls unter dem Begriff "Beschichten" eingeschlossen. Danach werden die beschichteten leitfähigen Teilchen 11 mit Bindermaterial 19 gemischt und die beschichteten halbleitenden Teilchen 13 werden der Mischung zugesetzt. Falls Bindermaterial 19 verwendet wird und ein geeigneter elektrischer Isolator ist, können die leitfähigen Teilchen 11 durch Mischen mit dem Binder beschichtet werden. In Abhängigkeit vom verwendeten Bindermaterial 19 kann Aushärten erforderlich sein« Bei der Herstellung des Matrixmaterials 9 ist es wichtig/ da/J die leitfähigen Teilehen 11 und die halbleitenden Teilchen 13 homogen gemischt werden. Falls keine homogene Mischung durchgeführt wird,- können zahlreiche

kontinuierliche Ketten von leitenden oder halbleitenden Teilchen sich von einer Oberfläche zur anderen des Matrixmaterials erstrecken und die Eigenschaften des Materials negativ beeinflussen. Typischerweise trennen in einem Querschnitt des Matrixmaterials 9 etwa 25 bis mehr als 500 leitfähige und halbleitende Teilchen gegenüberliegende Oberflächen des Matrixmaterials .

Vorstehend wurde das Matrixmaterial 9 als vorteilhaft zum Ausbilden von Schutz gegen EOS-Spitzen beschrieben; da? Material kann jedoch auch verwendet werden, um hochenergetische, elektrische Schaltkreise mit hoher Geschwindigkeit zu schalten.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die gezeigten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist diese Offenbarung nicht als Beschränkung aufzufassen. Dem Fachmann, der die vorstehende Offenbarung gelesen hat, sind verschiedene Abänderungen und Modifikationen zweifellos ohne weiteres zugänglich. Demgemäß sollen die anliegenden Patentansprüche so interpretiert werden, da/3 sie die alternativen Aus führungs formen abdecken, die innerhalb den wahren Geist und Schutzberfeich der Erfindung fallen.

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Claims

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Überlastungsschutzvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden ein Material mit nicht-linearem Widerstand angeordnet ist zum elektrischen Überlastungsschutz gegen elektrische Spitzen mit Anstiegs-^ zeiten von einigen ns oder weniger, wobei das Material eine Matrix aufweist, die äiis einer Mischung von folgenden Bestandteilen ausgebildet ist:

(a) getrennte Teilchen aus leitfähigem Material, wobei die Grö/3e der Mehrzahl der leitfähigen Teilchen kleiner als etwa einige 100 &mgr;&idiagr;&eegr; ist;

(b) getrennte Teilchen aus halbleitendem Material, wobei die Größe, der Mehrzahl der halbleitenden Teilchen kleiner als etwa einige 100 ,um ist; und

(g) isolierendes Material, das die Teilchen aus leit^ fähigem Material und die Teilchen aus halbleitendem Material beschichtet, um Ketten der Teilchen innerhalb der Matrix auszubilden, wobei die Trennabstände zwischen den Teilchen entlang der Ketten weniger als etwa einige zehn nm im Mittel betragen, wodurch zwischen den Teilchen in den Ketten als Antwort auf hochenergetische elektrische Spitzen durch das quantenmechanische Tunneln von Elektro-

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nen eine im wesentlichen nicht-lineare Leitfähigkeit erzielt v/ird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, das ferner ein Bindermaterial aufweist _f in dem die Teilchen im wesentlichen homogen angeordnet sindi
3., Vorrichtung nach Anspruch 1/ wobei die leitfähigen Teilchen eine grö/3e von weniger als etwa 100 &mgr;&idiagr;&eegr; aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Größe der Teilchen aus

halbleitehdem Material zwischen etwa 0/1 /im UiId 100 /irtt beträgt .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Zahl von hälbleitenden

Teilchen mit Größen, die kleiner sind als der untere Grenzwert des Bereichs, die Zahl von halbleitenden Teilchen mit Durchmessern, die größer sind als die obere Grenze des Bereichs, weit übersteigt.
6· Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen Teilchen aus Garbonylnickel umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen

aus Materialien bestehen, die Titankarbid, Nickel, Wolframkarbid, Borkarbid, Zirkoniumkarbid, Ruß, Graphit, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Silber, Gold, Zink, Messing, Cadmium, Bronze, Eisen, Zinn, Berryllium, Blei, Boride, Tantalkarbid und Mumetall umfassen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die leitfähigen Teilchen

spezifische Leitfähigkeiten von 10"¹ bis etwa 1O~⁶ Ohm/cm aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der prozentuale Gewichtsanteil der leitfähigen Teilchen in dem Material mehr als 1 % und weniger als 45 % beträgt.
Io. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Bindermaterial ein elektrischer Isolator ist.
11' Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Bindematerial ein Polymer ist.
* Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der prozentuale Gewichts** anteil dös Bindermateriais grofler alä etwa ig % des Matrixmateriais ist*
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Bindermaterial ein thermisch härtbares Polymer, ein Thermoplast, Kautschuk/ eine Polymerlegierung und/oder ein Gemisch davon ist*
* Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen zahlreiche scharfe Spitzen aufweisen, um das elektrische Feld zwischen den Teilchen zu verstärken.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das isolierende Material einzelne der halbleitenden Teilchen beschichtet.
16· Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das isolierende Material pyrogene Kieselsäure umfa/3t.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die pyrogene Kieselsäure Cab-O-Sil aufweist.

-Vorrichtung nach Anspruch l_f wobei das die Teilchen beschichtende isolierende Material pyrogene Kieselsäure, Kaolin, Kaolinit, Aluminiumtrihydrat, Feldspat, verschiedene Formen von Siliciumoxid, kugelförmiges Glas, Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Calciumsulfat und/oder Öl umfa/Jt.

19-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Bindermaterial einen spezifischen Widerstand zwischen etwa IQ¹² und etwa 10¹⁵ Ohm/cm aufweist.

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2O. Vorrichtung nach Anäpruch I₁ wobei die !erbfähigen Teilchen/ die halbleitenden Teilchen und das isolierende Material so gewählt sind/ da/3 eine Klenünspalfinung von einigen 1ÖO V ausgebildet wird*