NL8720335A - Materiaal en werkwijze voor het beschermen tegen elektrische overspanning. - Google Patents

Description

8 1 τ 0 3 3 5' Ν.0. 35063 ,- «· MATERIAAL ΕΝ WERKWIJZE VOOR HET BESCHERMEN TEGEN ELEKTRISCHE OVERSPANNING._ ACHTERGROND VAN DE UITVINDING Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft in het algemeen betrekking op de bescherming van elektronische inrichtingen tegen elektrische overspan-5 ningen en, meer in het bijzonder, heeft de onderhavige uitvinding betrekking op de bescherming van elektronische inrichtingen tegen over-spannings-overgangsverschijnselen ("transiënten") met extreem snelle stijgtijden en een hoog piekvermogen.

Stand van de techniek 10 Het is algemeen bekend, dat elektronische schakelingen beschermd moeten worden tegen transiënte spanning en stroomverschijnselen, die de capaciteit van de schakeling te boven gaan. Dergelijke elektrische transiënten kunnen de schakeling beschadigen en kunnen in bedrijf fouten veroorzaken. In het bijzonder is de bescherming tegen elektri-15 sche overspanningsverstoringen vereist bij moderne elektronische communicatie- en regel stel seis, waarvan de micro-elektronische halfgeleidercomponenten zeer gevoelig zijn voor excessieve stromen en spanningen.

Diverse inrichtingen en methoden zijn bekend voor het verschaffen van bescherming tegen beperkte elektrische overspanningen. Op het 20 uiterste basisniveau is het gebruikelijk elektronische inrichtingen met geaarde draad-afschermomhullingen af te schermen tegen elektromagnetische transiënten. Een dergelijke afscherming beschermt elektronische inrichtingen echter niet tegen transiënte elektrische overspannings-storingen, die via verbindingsleidingen doordringen in afgeschermde 25 schakelingen. Om schakelingen te beschermen tegen dergelijke transiënte overspanningsverschijnselen zijn tot dusver diverse beschermende inrichtingen afzonderlijk of in combinatie toegepast. Tot dergelijke inrichtingen behoren zekeringen, vonkbruggen, varistors, zener-diodes, transzorbs, dunne-film-inrichtingen, ontkoppelcondensatoren, 30 inductoren en filters. Deze inrichtingen worden vaak aangeduid als spanningsonderdrukkers of spanningsafleiders, maar kunnen in het algemeen worden beschreven als elektrische overspannings (EOS) bescher-mingsinrichtingen. Voor de toepassing worden EOS beschermingsinrichtin-gen tussen een te beschermen schakeling en aarde geschakeld, of tussen 35 een verbindingsleiding, die naar een te beschermende schakeling leidt, en aarde. Het doel ervan is het overbruggen van EOS transiënten naar aarde voordat energie, resulterend uit de transiënten, de beschermde . 872 0335 « 2 ·% schakeling kan beschadigen.

Voor de onderhavige doeleinden kan een EOS transiënt worden gedefinieerd als een transiënt spannings- of stroomverschijnsel, dat het normale bedrijf van schakelingen kan beschadigen of verstoren.

5 Elektrische overspanningstransiënten van praktische betekenis kunnen ontstaan uit een elektromagnetische puls (EMP), bliksem of een elektrostatische ontlading (ESD). Dergelijke transiënten kunnen tot hun maximale amplituden stijgen in perioden variërende van minder dan enige nanoseconden tot verscheidene microseconden en kunnen zich herhalen. In 10 het onderstaande worden EOS transiënten soms ook aangeduid als pulsen en stoten.

Een gebruikelijk voorbeeld van een ESD overspanningstransiënt ontstaat wanneer er een opbouw van statische elektriciteit is bij personen, die isolerende kleding dragen in kantoren met tapijten. De ESD 15 transiënten ten tijde van de ontlading kunnen spanningen van meer dan 20.000 volt omvatten en stromen van meer dan 40 ampere; dergelijke transiënten kunnen elektronische componenten in computers en andere elektronische inrichtingen verstoren of beschadigen. ESD transiënten kunnen piekontladingsspanningen bereiken in minder dan enige nanosecon-20 den en zijn als zodanig sneller dan gebruikelijke overspanningsbescher-mingsinrichtingen.

Bliksem is een ander voorbeeld van een EOS transiënt, die in staat is elektronische schakelingen nadelig te beïnvloeden. Een blikseminslag tot op een afstand van verscheidene mijlen kan voldoende 25 elektromagnetische energie uitstralen om pulsamplituden van verscheidene duizenden volt op stroomlei dingen voort te brengen. Met name is de tijd tot de piek van door bliksem veroorzaakte transiënten verscheidene microseconden en derhalve zijn dergelijke transiënten verscheidene duizenden malen langzamer dan ESD transiënten.

30 EMP transiënten worden voortgebracht door nucleaire wapens of andere op hoge energie gerichte inrichtingen. Een nucleaire explosie kan bijvoorbeeld elektrische velden van meer dan 50.000 volt per meter binnen een straal van meer dan 600 mijl voortbrengen. De piekamplituden van dergelijke velden kunnen in enige nanoseconden worden bereikt en de 35 resulterende EOS transiënten kunnen communicatie-apparatuur alsmede andere elektronische inrichtingen onbruikbaar maken.

Door EMP veroorzaakte bedreigingen van micro-elektronische componenten, in het bijzonder sperlaag-veldeffecttransistoren en microgolf-dioden, worden besproken door H.R. Philipp en L.M. Levinson in een ar-40 tikei getiteld "NbO Devices for Subnanosecond Transient Protection", ,872 033 5 3 J« App. Phys. 50(7), juli 1979, De auteurs benadrukken dat gebruikelijke inrichtingen bedoeld zijn voor het beschermen of lage-frequentie-schakelingen tegen bliksem- of schakel stoten, en geen adequate bescherming verschaffen tegen EMP transiënten met een snelle stijgtijd. (De 5 uitdrukking "stijgtijd" heeft betrekking op de tijd, die voor een tran-siënt vereist is om een maximale amplitude te bereiken.)

Een eenvoudig voorbeeld van een inrichting voor het beschermen tegen elektrische verstoringen is een gewone zekering. Zekeringen zijn gevoelig voor de stroomdoorgang in voedingsleidingen en worden in si-10 tuaties met hoge stroom verhit tot het breekpunt; na het breken zorgen de zekeringen voor een onderbreking in de schakeling. Omdat het verhitten een aanzienlijke tijd vereist, zijn zekeringen niet aanvaardbaar in situaties waarin extreem snelle responses vereist zijn. Zekeringen geven bijvoorbeeld geen adequate respons op EOS transiënten met stijg-15 tijden van enige microseconden. Bovendien zijn zekeringen niet aanvaardbaar in vele situaties waarin beschermd wordt tegen elektrische overspanning omdat na het reageren op een EOS verschijnsel de zekeringen onomkeerbaar falen en kapot gaan en vervangen moeten worden. Een meer gewenste eigenschap zou voor zekeringen zijn dat ze automatisch 20 hun beschermende vermogen terugkrijgen na bescherming tegen een EOS transiënt.

In feite is het vermogen van het automatisch terugkrijgen van beschermende eigenschappen in zekere mate beschikbaar in veel gebruikelijke overspanningsbeschermingsinrichtingen, in het bijzonder varis-25 tors. Varistors bezitten gewoonlijk een karakteristiek die bekend is als een "klemspanning". Voor toegepaste spanningen beneden de klemspan-ningswaarde verschaft een varistor hoge weerstand en werkt derhalve in hoofdzaak als een open schakeling. Anderzijds verschaft een varistor bij toegepaste spanningen, die de klemspanningswaarde in aanzienlijke 30 mate overschrijden, een aanzienlijk verminderde weerstand voor het overbruggen van elektrische transiënten met een hoge amplitude naar de aarde. Wanneer een varistor derhalve v/ordt verbonden met een leiding, die signalen voert, zal de varistor bij normale spanningsniveaus geen nadelige invloed hebben op de signalen op de leiding, maar EOS 35 verstoringen met een hoge amplitude overbruggen, tenminste die met relatief langzame stijgtijden.

De eigenschap van het vertonen van een hoge weerstand bij spanningen beneden een klemspanningsniveau en een lage weerstand bij spanningen boven het klemspanningsniveau zal hierin worden aangeduid als niet-40 lineaire weerstand (MLR). Er zijn diverse materialen bekend die NLR

.8720335 > 4 eigenschappen hebben; een gebruikelijk voorbeeld is zinkoxide. Dergelijke materialen worden gebruikt in talrijke inrichtingen voor het beschermen tegen overspanning; varistoren worden bijvoorbeeld vaak geproduceerd uit zinkoxidedeeltjes. Wanneer dergelijke materialen zich in 5 een toestand van hoge weerstand bevinden, wordt van deze materialen gezegd dat ze zich in de "uit-stand" bevinden; wanneer de materialen zich in een toestand van lage weerstand bevinden, wordt van de materialen gezegd dat ze zich in de "in-stand" bevinden.

Varistoren zijn in de handel verkrijgbaar met voldoende vermogen 10 om bescherming tegen overspanning tegen relatief grote hoeveelheden transiënte energie te verschaffen, zoals ondervonden wordt in blik-semstoten. Een tekortkoming van varistors is echter hun relatief hoge capaciteit, die de responstijden vertraagt. De structuur en de werking van varistoren wordt beschreven in "The Transient Voltage Suppression 15 Manual", vierde druk, gepubliceerd in 1983 door de General Electric Company, Verenigde Staten van Amerika. Volgens deze handleiding bezitten varistoren het vermogen 200 joule energie te verwerken bij een stroomdoorgang tot maximaal 6000 ampere. De microstructuur van varis-tormateriaal bestaat uit korrels van gesinterd metaaloxidepoeder met de 20 eigenschap dat de spanningsval door de tussen de korrels aanwezige grensgebieden bijna constant is, gewoonlijk bij ongeveer 2-3 volt per korrel grenslaag, onafhankelijk van de korrel grootte.

Een speciaal varistormateriaal wordt gesuggereerd in het Amerikaanse octrooischrift 4.103.274. Volgens dit octrooi schrift kan een va-25 ristor worden geproduceerd uit polykristallijne metaaloxidematerial en en in het bijzonder samengestelde keramische metaaloxidedeeltjes in kunststof-harsmatrices.

Diverse andere inrichtingen, die gewoonlijk worden gebruikt in elektronische schakelingen, vertonen NLR gedrag en zijn toegepast voor 30 het verschaffen van bescherming tegen elektrische overspanning. Typische voorbeelden van dergelijke inrichtingen zijn halfgeleider-diodes, transistors en zenerdiodes. In het bijzonder bezitten zenerdiodes de eigenschap van het verschaffen van een bijna oneindige weerstand tot een toegepaste spanning een grenswaarde bereikt en daarna het verschaf-35 fen van een snel afnemende weerstand. Ofschoon ze een relatief snelle responstijd bezitten in vergelijking met andere inrichtingen voor het beschermen tegen overspanning, vertonen zenerdiodes enige capaciteit en verschaffen ze derhalve aanzienlijke vertragingen in de tijd wanneer ze worden blootgesteld aan E0S transiënten met stijgtijden, die worden 40 gemeten in nanoseconden of minder. Ook bezitten praktische zenerdiodes .8720335 5 relatief beperkte bedrijfsgebieden en missen ze het vermogen grote hoeveelheden energie te verwerken.

Zenerdiodes en andere tot dusver toegepaste inrichtingen voor het beschermen tegen EOS bezitten gewoonlijk ook een aanzienlijke "door-5 schot" wanneer ze worden blootgesteld aan snelle transiënten, zoals die veroorzaakt door een EMP. De uitdrukking doorschot verwijst naar de hoeveelheid, waardoor transiënte spanning de klemspanning van een inrichting voor het beschermen tegen overspanning overschrijdt voor het moment dat de inrichting geleidend wordt. Bijvoorbeeld in diodes kan 10 doorschot ontstaan wegens inductie in de invoer!eidingen en wegens de tijd die vereist is voor het laden van de p-n verbinding-diffusielagen in de diodes. Omdat een schakeling, verbonden met een inrichting voor het beschermen tegen overspanning, beschadigd kan worden tijdens een doorschotperiode, dient het doorschot zowel wat betreft de mate en de 15 duur daarvan minimaal te worden gehouden.

Inrichtingen met een vonkbrug bezitten eveneens een relatief aanzienlijke energieverwerkingscapaciteit voor de bescherming tegen EOS.

In bedrijf geleiden vonkbruggen door het vormen van sterk geïoniseerde geleidingskanalen met een nagenoeg verwaarloosbare weerstand. Omdat 20 tijdsperioden tot verscheidene microseconden vereist zijn om inrichtingen met een vonkbrug genoeg energie te laten absorberen voor het vóórtbrengen van dergelijke kanalen, vertonen inrichtingen met een vonkbrug een aanzienlijke doorschot voordat ze sterk geleidend worden. Ook nadat een inrichting met een vonkbrug geleidend wordt bij lage weerstandsni-25 veaus, kan deze beschermde schakelingen door kortsluiting uitschakelen.

Inrichtingen met een dunne laag voor het verschaffen van bescherming tegen EOS omvatten diverse afzonderlijke halfgeleidermaterialen, waarin de stroom in smalle kanalen wordt geleid. De kanalen bezitten 30 met name afmetingen van slechts minder dan een micron tot een micron en kunnen derhalve slechts relatief kleine hoeveelheden energie absorberen voordat ze thermisch beperkt worden. In de praktijk vertonen inrichtingen met een dunne laag een aanzienlijke doorschot en kunnen hun herstel ei gen schappen verliezen na het reageren op een relatief klein aan-35 tal van dergelijke transiënten.

Filters omvatten gewoonlijk combinaties van resistors, condensators, inductors en halfgeleiderelementen zoals diodes, transistors en operationele versterkers. Filters hebben een beperkte toepassing bij de bescherming tegen aanzienlijke EOS transiënten omdat per definitie 40 filters bepaalde frequenties laten passeren terwijl ze andere frequen- . 872 033 5 6 ties blokkeren. Condensatoren geleiden bijvoorbeeld signalen met een hoge frequentie maar blokkeren signalen met een lage frequentie. Omdat vele transiënten met een snelle stijgtijd brede frequentiebanden bevatten, die componenten met een zeer hoge of lage frequentie omvatten, 5 verschaffen filters onvoldoende bescherming tegen EOS.

Gezien het voorafgaande kan begrepen worden, dat gebruikelijke inrichtingen en materialen onvoldoende bescherming verschaffen wanneer ze worden blootgesteld aan verstoringen door elektrische transiënten met een stijgtijd van minder dan enige nanoseconden en brede frequentie-10 spectra. Bovendien hebben de afzonderlijke types van inrichtingen voor het beschermen tegen overspanning elk hun eigen tekortkomingen, in het bijzonder falen met betrekking tot het herstellen van de beschermende eigenschappen na het blootstellen aan herhaalde EOS transiënten met hoge energieën en snelle stijgtijden.

15 DOELSTELLINGEN EN SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

Een eerste doel en voordeel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterd niet-lineair weerstandsmateriaal voor het beschermen van schakelingen tegen herhaalde elektrische transiënten met stijgtijden met een snelheid van slechts enige nanoseconden of min-20 der.

Meer in het bijzonder is een doel en een voordeel van de onderhavige uitvinding het verschaffen van een materiaal dat beschermt tegen elektrische overspanning met niet-lineaire weerstandseigenschappen, dat het vermogen bezit herhaald een respons te geven op transiënten met 25 stijgtijden van nanoseconden, een minimale of regelbare doorschot heeft en het vermogen bezit aanzienlijke hoeveelheden energie te verwerken.

Nog meer in het bijzonder is een doel en een voordeel van de onderhavige uitvinding het verschaffen van een niet-lineair weerstandsmateriaal met de boven beschreven eigenschappen, dat selectief geformu-30 leerd kan worden door het kiezen van verschillende verbindingen of ver- ' schillende afmetingen voor het selectief klemmen bij spanningen in het gebied van vijf (5) tot tienduizend (10.000) volt.

Samengevat verschaft de onderhavige uitvinding een niet-lineair weerstandsmateriaal voor het verschaffen van bescherming tegen elektri-35 sche overspanning, dat een in het algemeen homogeen mengsel van afzonderlijke deeltjes van geleidende materialen met een grootte van minder dan ongeveer enige honderden micrometers, afzonderlijke deeltjes van halfgeleidermaterialen met eveneens afmetingen van minder dan ongeveer verscheidene honderden micron en isolatormateriaal, dat de afzonder!ij-40 ke deeltjes bekleedt, omvat. De deeltjes worden in het algemeen homo- .8720335 7 geen gemengd in de matrix, wat een ontelbaar aantal ketens van deeltjes verschaft met zich tussen de deeltjes bevindende separatie-afstanden die voldoende klein zijn om een aanzienlijke geleiding tussen de deeltjes toe te laten door een kwantum-mechanisch tunneleffect van elektro-5 nen. Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm bevat het materiaal van de onderhavige uitvinding verder een bindmiddel of dragermateriaal, waarin de deeltjes van geleidend materiaal en halfgeleidermateriaal in het algemeen homogeen gemengd zijn.

Verder verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het 10 formuleren van een niet-lineair weerstandsmateriaal voor het beschermen tegen elektrische transiënten met stijgtijden met een snelheid van wel enige nanoseconden of minder, die de stappen omvat van het verschaffen van afzonderlijke deeltjes van geleidende materialen en van halfgeleidermaterialen, waarbij de afmetingen van de deeltjes kleiner 15 dan ongeveer verscheidene honderden micrometers zijn; het afzonderlijk bekleden van elk van de deeltjes met isolerend materiaal waarbij de dikte van de bekleding niet meer dan verscheidene honderden angstroms bedragen, en het mengen van de beklede deeltjes van geleidend materiaal met de beklede deeltjes van halfgeleidermateriaal, waarbij een in het 20 algemeen homogene matrix wordt gevormd met een ontelbaar aantal ketens van aan elkaar grenzende deeltjes die met een kleine tussenruimte dicht bij elkaar liggen om een aanzienlijk elektronentransport tussen aan elkaar grenzende deeltjes mogelijk te maken door het kwantum-mechanische tunneleffect in respons op toegepaste elektrische transiënten.

25 Een bijzonder voordeel van het materiaal voor het beschermen tegen overspanning volgens de onderhavige aanvrage is dat het gemakkelijk kan worden geproduceerd in een groot aantal verschillende vormen voor het verbinden met diverse elektrische en elektronische inrichtingen met inbegrip van antennes, elektrische en elektronische schakelingen, verbin-30 dingsleidingsstel seis, platen met gedrukte schakelingen en elementen met geïntegreerde schakelingen.

Verdere doelstellingen en voordelen van de onderhavige uitvinding kunnen door de deskundigen worden vastgesteld op grond van de volgende beschrijving en bijgaande tekeningen, die dienen bij wijze van voor-35 beeld van de voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

Fig. 1 is een schematisch aanzicht van een dwarsdoorsnede van materiaal volgens de onderhavige uitvinding op vergrote schaal;

Fig. 2 is een aanzicht van een fragment, getekend op een verder 40 vergrote schaal, van het materiaal van fig. 1; .8720335 8

Fig. 3 is een grafiek van de klemspanning tegen de gewichtsverhouding van geleidermateriaal van een speciale formulering van het materiaal van fig. 1;

Fig. 4 is een grafiek van de weerstand van de uit-stand tegen het 5 polymeergehalte (per gewicht) van een andere speciale formulering van het materiaal van fig. 1;

Fig. 5 is een grafiek van de spanning tegen de tijd van een typische overspanning, toegepast op diverse inrichtingen en materialen voor het beschermen tegen overspanningen, waarin het materiaal van de onder-10 havige uitvinding aanwezig is;

Fig. 6 is een schematische weergave van een inrichting voor het beschermen tegen overspanning, geproduceerd uit het materiaal van fig. 1; en

Fig. 7 is een schematisch diagram dat de potentiaal dalingen door 15 de deeltjes in het materiaal van fig. 1 illustreert.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE VOORKEURSUITVOERINGSVORM

Zoals weergegeven in fig. 1 omvat een materiaal voor het beschermen tegen elektrische overspanning volgens de onderhavige uitvinding een matrix, algemeen weergegeven door cijfer 9, van willekeurig gemeng-20 de afzonderlijke geleiderdeeltjes 11 en halfgeleiderdeeltjes 13, die dicht op elkaar zitten, maar structureel gescheiden zijn door isolerend materiaal 15, dat dun genoeg is om een kwantum-mechanisch tunnel effect van elektronen tussen de deeltjes 11 en 13 toe te laten. De intersti-tiële volumes tussen de geleiderdeeltjes 11 en de halfgeleiderdeel-25 tjes 13 zijn gevuld met bindmiddelmateriaal 19. De sectie van matrixma-teriaal 9, weergegeven in fig. 1, wordt vastgehouden tussen de zich aan de boven- en onderzijde bevindende plaatachtige metallieke elektroden 21 respectievelijk 23. Opgemerkt wordt, dat de dimensie van matrix 9, die de twee elektroden 21 en 23 scheidt, vele malen groter is dan de 30 afmetingen van de deeltjes 11 en 13. De uitvoering van de elektrodes 21 en 23 is een kwestie van ontwerpkeuze.

Voor het algemeen begrip van de functie van het matrixmateriaal 9 kan worden aangenomen dat elektrode 21 verbonden is met de tegen EOS transiënten te beschermen schakeling en dat elektrode 23 verbonden is 35 met de aarde van het stelsel. Zo werkt het matrixmateriaal 9 als een intermediair tussen elektroden 21 en 23.

Tot de karakteristieken van het matrixmateriaal 9 behoren een hoge weerstand (gewoonlijk meer dan 109 ohm per centimeter) in de uitstand en een lage weerstand (gewoonlijk ongeveer 1 tot 1000 ohm per 40 centimeter) in de in-stand. Verder is het matrixmateriaal 9 in staat om .8720335 9 te schakelen van de uit-stand naar de in-stand in periodes van minder dan een nanoseconde als respons op de EOS transiënten met stijgtijden van minder dan een nanoseconde. Dergelijke responses van het matrixma-teriaal 9 kunnen optreden zonder aanzienlijke doorschot. Bovendien 5 heeft het matrixmateriaal 9 een verrassend vermogen het kunnen omschakelen tussen de in- en uit-stand te behouden na het doorstaan van herhaalde transiënten met hoge energie met spanningen van wel 50.000 volt.

In het matrixmateriaal 9 bezitten de geleiderdeeltjes 11 afmetin-10 gen van minder dan ongeveer 100 micrometer en ze kunnen slechts 100 angstrom zijn in het geval van kool stofpoeder. Het voorkeursgebied van de deeltjesgrootten van de halfgeleiderdeeltjes 13 is in het algemeen ongeveer eentiende micrometer tot ongeveer 100 micrometer waarbij relatief weinig deeltjes buiten het gebied liggen. In de praktijk wordt het 15 aantal deeltjes dat de bovengrens van de gebieden overschrijdt minimaal gehouden omdat grotere deeltjes de neiging bezitten afzonderlijke gelei dingswegen te vormen, die de eigenschappen van het matrixmateriaal 9 nadelig beïnvloeden, in het bijzonder het vermogen herhaalde transiënten te overleven, en ze kunnen katastrofale diëlektrische de-20 fecten veroorzaken.

Zoals het best wordt weergegeven in fig. 2 zijn de geleiderdeeltjes 11 en de halfgeleiderdeeltjes 13 afzonderlijk bekleed met elektrisch isolerend materiaal 15. In de praktijk kan het isolerende materiaal 15 zelf deeltjes omvatten met een grootte in het gebied van onge-25 veer 70 angstrom tot ongeveer 300 angstrom. Als zodanig bezitten de isolerende deeltjes een grootte van ongeveer eentiende tot eentiendui-zendste van de grootte van de beklede geleider- en halfgeleiderdeeltjes 11 en 13.

In de praktijk worden de geleiderdeeltjes 11 bij voorkeur gevormd 30 uit carbonyl nikkel, in het bijzonder INC0 type 255 carbonyl nikkel poeder. De geleiderdeeltjes 11 voor de toepassing in het matrixmateriaal 9 kunnen echter bestaan uit andere praktische geleidende materialen, zoals geïllustreerd door tantaalcarbide, titaancarbide, nikkel anders dan carbonyl nikkel, wolfraamcarbide, boorcarbide, zirkoniumcarbide, 35 roet, grafiet, koper, aluminium, molybdeen, zilver, goud, zink, messing, cadmium, brons, ijzer, tin-beryllium, lood, boriden en Mu-me-taal.

Het geleidermateriaal, waaruit de geleiderdeeltjes 11 gevormd worden, moet een soortelijke weerstand in het gebied van ongeveer 10"1 40 ohm per centimeter tot ongeveer 10“6 ohm per centimeter bezitten.

. 872 0335 10

De soortelijke weerstand van enige geschikte materialen is als volgt: 1 x 10"4 ohm/cm titaancarbide 7 x 10-5 ohm/cm niobiumcarbide 5 2 x 10"5 ohm/cm tantaalcarbide 1 x 10_5 ohm/cm wolfraamcarbide 6 x 10_5 ohm/cm zirkoniumcarbide

Bij enige toepassingen is het voordelig geleiderdeeltjes 11 te 10 vormen uit metaal siliciden omdat dergelijke materialen een metaalachtige soortelijke weerstand en een stabiliteit bij hoge temperatuur bezitten. Talrijke metaal siliciden, die geschikt zijn voor geleiderdeeltjes 11, zijn aangegeven in Silicides for VLSI Applications, S.P. Murarka (Academie Press, 1983), blz. 30 en 31.

15 De fig. 1 en 2 laten zien dat de geleider- en halfgeleiderdeeltjes 11 en 13 in het algemeen onregelmatige configuraties met talrijke scherpe punten of uitsteeksels bezitten. Deze vormen hebben in feite bepaalde voordelen. Materialen, die uitsteeksels bezitten, zoals carbo-nylnikkel, vergroten de tussen de deeltjes aanwezige elektrische velden 20 en bevorderen derhalve de geleiding in matrixmateriaal 9. Een bijzonder voordeel van de veldvergroting is het verhogen van de omschakel snel heid van matrixmateriaal 9 tussen de uit- en de in-stand als respons op EOS transiënten met snelle stijgtijden.

De halfgeleiderdeeltjes 13 kunnen bestaan uit elk gebruikelijk 25 halfgeleidermateriaal. Tot de voorkeursmaterialen behoren materialen zoals siliciumcarbide, berylliumcarbide, calciumoxide, chalcogeniden, "dope" bevattend silicium, niobiumoxide, vanadiumoxiden, indiumantimo-nide, ijzeroxide, boorcarbide, seleen, loodsulfide, loodtelluride, cad-miumsulfide, zinksulfide, zilversui fide, titaandioxide, boor, seleen, 30 teil uur, germanium en vanadiumcarbide. Organische halfgeleiders en halfgeleiders, bereid volgens de sol-gel werkwijze, kunnen eveneens worden gebruikt.

Fig. 3 toont het effect op de klemspanning van diverse samenstellingen van matrixmateriaal 9 uitgedrukt als percentages van het gel ei-35 dermateriaal en halfgeleidermateriaal. De klemspanningen werden gemeten op basis van herhaalde toepassing van een puls van 1000 volt. Het specifieke matrixmateriaal, gebruikt voor de proeven, bestond alleen uit nikkel als een geleider en siliciumcarbide als een halfgeleider. De proefresultaten geven aan, dat de klemspanning de grootte benadert van 40 de toegepaste transiënt tot het percentage van de samenstelling van .8720335 11 het geleidermaterlaai toeneemt tot meer dan ongeveer tien procent (10¾). Indien het relatieve percentage geleidende deeltjes verhoogd wordt tot boven ongeveer vijftig procent (50%), neemt de klemspanning af tot een relatief klein deel van de grootte van de toegepaste puls.

5 Algemeen gesproken moet het isolerende materiaal 15, waarmee de geleidende deeltjes 11 en 13 zijn bekleed, dun genoeg worden geproduceerd om een kwantum-mechanisch tunneleffect mogelijk te maken tussen zich dicht op elkaar bevindende deeltjes zonder een katastrofaal di-elektrisch effect. (De hierin gebruikte uitdrukking katastrofaal di-10 elektrisch effect betekent de onomkeerbare vorming van kortsluitingswe-gen door matrixmateriaal 9.) Geschikt isolerend materiaal 15 kan worden verschaft in de vorm van kleine deeltjes of als dunne filmachtige bekledingen. Een filmachtige bekleding kan bijvoorbeeld worden verschaft door het omzetten van geleiderdeeltjes 11 bij aanwezigheid van zuurstof 15 onder vorming van metaaloxide-oppervlaktelagen op de deeltjes. (Dergelijke omzettingen worden natuurlijk uitgevoerd voor het mengen van de geleiderdeeltjes 11 met het matrixmateriaal 9.) Ook moet het isolerende materiaal 15 een type materiaal zijn, dat zich in het matrixmateriaal 9 kan bevinden zonder chemische reactie met andere materialen in de ma-20 trix.

In de praktijk is het isolerende materiaal 15 bij voorkeur van het type van in de gasfase gevormd siliciumdioxide, zoals het materiaal verkrijgbaar onder het handelsmerk Cab-O-Sil. Tot andere geschikte isolerende materialen behoren kaolien, kaoliniet, aluminiumtrihydraat, 25 veldspaat, diverse vormen van siliciumdioxide, glasbolletjes, calcium-carbonaat, bariumsulfaat, calciumsulfaat en diverse oliën.

Een functie van het isolerende materiaal 15 is het verschaffen van een hecht-geregelde structurele scheiding tussen geleiderdeeltjes 11 en halfgeleiderdeeltjes 13. Om de voordelige eigenschappen van matrixmate-30 riaal 9 volledig te realiseren dient een groot aantal geleiderdeeltjes 11 en halfgeleiderdeeltjes 13 slechts van elkaar te worden gescheiden door afstanden in het gebied van ongeveer vijftig (50) angstrom tot verscheidene honderden angstrom. Een optimale, zich tussen de deeltjes bevindende tussenruimte is afhankelijk van de elementen, waaruit de 35 halfgeleider- en geleiderdeeltjes gevormd worden en van de verwachte toegepaste elektrische velden. In elk geval moet een aanzienlijk aantal van de zich tussen de deeltjes bevindende tussenruimten voldoende klein zijn om een elektrische geleiding mogelijk te maken tussen de zich dicht op elkaar bevindende geleiderdeeltjes 11 en halfgeleiderdeeltjes 40 13 door een kwantum-mechanisch tunneleffect van elektronen, doorgaans .8720335 12 voor het bulkmateriaal, als respons op elektrische transiënten.

Bij afwezigheid van isolerend materiaal 21 herstelt het matrixma-teriaal 9 zich niet tot een toestand van hoge weerstand volgend op een verstoring door overspanning van hoge energie maar vormt in plaats 5 daarvan een relatief permanente shunt met lage weerstand naar de aarde. Het vermogen van matrixmateriaal 9 te reageren op transiënten met hoge energie en vervolgens terug te keren naar een toestand van hoge weerstand kan "overlevingsvermogen" worden genoemd.

Een ander doel van het isolerende materiaal 15 is het verschaffen 10 van een voldoende fysische scheiding van de geleiderdeeltjes 11 onderling voor het verschaffen van een hoge weerstand in de uit-stand. Bij afwezigheid van isolerend materiaal 15 zouden de aangrenzende geleiderdeeltjes 11 geleidende ketens door het matrixmateriaal 9 kunnen vormen en tot gevolg kunnen hebben dat de bulkweerstand in de uit-stand van 15 matrixmateriaal 9 onaanvaardbaar laag is.

Het bindmiddel materiaal 19 kan materialen in de vaste toestand tot materialen in de fluïde (gasvormige of vloeibare) toestand betreffen.

In de vaste of half-vaste toestand verschaft het bindmiddelmateriaal 19 een tussenruimte tussen de deeltjes alsmede het vullen van intersti-20 tiële ruimtes tussen de deeltjes 11 en 13. Ofschoon vaste bindmiddel-materialen een mechanische binding tussen de deeltjes kunnen verschaffen, is deze functie niet kritisch maar het is geschikt om het matrixmateriaal 9 gemakkelijk te kunnen produceren voor diverse afmetingen en vormen zoals gewenst is voor het aanwezig zijn tussen beschermde compo-25 nenten. Wanneer de mechanische binding niet voorzien is tussen deeltjes, moet in een structurele houder voor matrixmateriaal 9 worden voorzien. Het type van de houder of verpakking is een kwestie van ont-werpkeuze en kan gebruikelijk zijn. Tot geschikte verpakkingsmaterialen, maar hiertoe niet beperkt, behoren keramisch materiaal, epoxymate-30 riaal, polymeermateriaal, verf, olie en metaal. Met name wordt een isolerende houder voorzien van elektrodes die op geschikte wijze zijn aangebracht voor een aanzienlijk contact met het daarin aanwezige matrixmateriaal 9.

In het algemeen gesproken is het bindmiddel materiaal 19 een elek-35 trisch isolerend materiaal met een soortelijke weerstand in het gebied van ongeveer ÏO^2 tot ongeveer 10^ ohm per cm. In de praktijk is het bindmiddelmateriaal 19 bij voorkeur een thermohardend polymeer met inbegrip van epoxymaterialen, thermoplastisch materiaal, rubber, of po-lymeerlegeringen en -mengsels. Bindmiddelmateriaal 19 kan ook bestaan 40 uit andere gebruikelijke elektrische isolerende materialen; tussen de .8720335 13 materialen die in diverse gevallen geschikt zijn, behoren keramisch materiaal, olie, in de gasfase gevormd siliciumdioxide en zelfs water, lucht, vacuum en gassen zoals N2 en SFg.

Omdat bindmiddelmateriaal 19 een elektrische isolator is, kan het 5 de klemspanningen van het matrixmateriaal 9 nadelig beïnvloeden. Bijvoorbeeld matrixmaterialen met hetzelfde gewichtspercentage betreffende de samenstelling van halfgeleiderdeeltjes 13 en geleiderdeeltjes 11 kunnen verschillende klemspanningen verschaffen, afhankelijk van het specifieke type van het gebruikte bindmiddelmateriaal 19. Dit effect is 10 primair een functie van de diëlektrische constante van het bindmiddelmateriaal 19. Zo is een voordeel van het vormen van een bindmiddelmateriaal 19 uit een polymeer het verminderen van de totale diëlektrische constante van matrixmateriaal 9, die normaliter klein moet zijn indien vereist is dat matrixmateriaal 9 een lage capaciteit heeft. In-15 dien een hogere capaciteit nodig is (in gevallen waarin matrixmateriaal 9 wordt gebruikt bij het ontwerpen van schakel elementen zoals strook-vormige verbindingen, PCB-materialen, kabels, coaxiale verbindingen of andere inrichtingen waarin de impedantie van de transmissieleiding belangrijk is), kan de diëlektrische constante van het bindmiddelmate-20 riaal 19 selectief worden verhoogd voor het verschaffen van de gewenste vermogensimpedantie.

Het bindmiddelmateriaal 19 beïnvloedt ook nadelig de weerstand in de uit-stand van matrixmateriaal 9. Zo toont fig. 4 de weerstand in de uit-stand als een functie van het gewichtspercentage van een poly-25 meer bindmiddelmateriaal 19. Opgemerkt wordt, dat de vertikale as van de grafiek van fig. 4 logaritmisch is. De hoeveelheid bindmiddelmateriaal 19, vereist voor het in aanzienlijke mate wijzigen van de weerstand in de uit-stand van matrix 9, ligt met name in het gebied van meer dan ongeveer tien procent (10¾) tot ongeveer vijfendertig procent 30 (35%), waarbij het matrixmateriaal 9 relatief geleidend is totdat het bindmiddelmateriaal gehalte verhoogd wordt tot ongeveer dertig procent (30%).

Voor het verder regelen van de weerstand in de uit- en in-stand kunnen weekmakers en koppelingsmiddelen aan het bindmiddelmateriaal 19 35 worden toegevoegd. In de praktijk werd gevonden, dat toevoeging van 1-5 gew.% weekmaker in het gebied van 10.000 cps tot 20 cps tot gevolg heeft dat de weerstand in de uit-stand van matrixmateriaal 9 met wel 6 decades varieert.

Een bijzonder voorbeeld van een formulering, als gewicht, van ma-40 trixmateriaal 9 is 2% Cab-O-Sil, 12% carbonylnikkel, 30% epoxymateriaal .8720335 14 en 56% siliciumcarbide. Een nog meer typisch voorbeeld van een formulering van matrixmateriaal 9 is 22,5% carbonyl nikkel, 43% siliciumcarbide, 2,5% Cab-O-Sil en 32% epoxymateriaal. In deze formuleringen worden de geleiderdeeltjes 11 gevormd uit carbonyl nikkel, de halfgeleiderdeel-5 tjes 13 worden gevormd uit siliciumcarbide, het isolerende materiaal 15 is Cab-O-Sil en het bindmiddelmateriaal 19 is epoxy. In een typische formulering, als gewicht, zou het matrixmateriaal 9 in het algemeen ongeveer 1% tot 50% geleidende deeltjes 11 bevatten.

Van materialen volgens de onderhavige uitvinding is gebleken, dat 10 ze verrassend effectief respons geven op elektrische overspanningstran-siënten met stijgtijden van minder dan ongeveer 0,5 nanoseconde. Wanneer respons wordt gegeven op EOS transiënten met stijgtijden tot de piek van langer dan 0,3 nanoseconde en korter dan 1-2 nanoseconde, blijken diverse formuleringen van matrixmateriaal 9 geen significante 15 doorschot te vertonen. Fig. 5 illustreert het typische gedrag van het matrixmateriaal 9 in respons op elektrische transiënten met ongeveer een (1) joule energie. Verder illustreert fig. 5 transiënt-verschijn-selen, die optreden wanneer dezelfde transiënt wordt toegepast op andere (gebruikelijke) inrichtingen voor het beschermen tegen overspan-20 ning. Bijvoorbeeld kromme "S" in fig. 5 illustreert spanningen, die verschijnen bij een typische vonkbruginrichting, die aan dezelfde overspanni ngstransiënt wordt blootgesteld. Kromme "V" illustreert de spanningsverschijnselen, die optreden bij een typische varistor, die aan dezelfde transiënt wordt blootgesteld. Op dezelfde wijze toont 25 kromme "Z" spanningen bij een typische zenerdiode, die dezelfde transiënt ondergaat.

In fig. 5 wordt de kromme "M" voor matrixmateriaal 9 snel een bijna constante functie die gelijk is aan een klemwaarde Vc. Opgemerkt wordt, dat de klemspanning Vc afhankelijk is van de samenstelling van 30 het matrixmateriaal 9 en van de elektrische karakteristieken van de EOS transiënt de lading, beschermd door het matrixmateriaal. In het algemeen gesproken zal de klemspanning Vc hoger zijn naarmate de grootte van een transiënt, toegepast op matrixmateriaal 9, groter is. Ook moet worden opgemerkt, dat de andere inrichtingen voor het beschermen 35 tegen overspanning in fig. 5 klemspanningen benaderen, maar niet zo snel als matrixmateriaal 9. Ook bezitten de klemspanningen, benaderd door de andere inrichtingen, niet noodzakelijkerwijs dezelfde grootte als spanning Vc.

Met betrekking tot de gebruikelijke inrichtingen voor het bescher-40 men tegen overspanning in fig. 5 vertoont de vonkbruginrichting het .8720335 15 grootste doorschot, waarbij zijn klemspanning met ongeveer 1000 volt wordt overschreden. Op de tweede plaats komt het doorschot bij de varistor, die zijn klemspanning met meer dan 400 volt overschrijdt. Het matrixmateriaal 9 vertoont daarentegen een verwaarloosbaar doorschot.

5 De tijd waarbij de spanning de klemwaarde bereikt als respons op een E0S transiënt kan de "kiemtijd" worden genoemd en de effectiviteit van de bescherming, verschaft door overspanningsinrichtingen, kan worden gedefinieerd aan de hand van de kiemtijden. In fig. 5 is de kiemtijd van de zenerinrichting ongeveer 2 nanoseconde. Er kan worden 10 gezien, dat het matrixmateriaal 9 aanzienlijk kortere kiemtijden verschaft dan de andere inrichtingen en materialen voor het beschermen tegen overspanning, en derhalve meer effectief is. Met betrekking tot dit aspect van fig. 5 dient te worden benadrukt dat dezelfde spanning werd toegepast bij de gebruikelijke inrichtingen als bij het matrixmateriaal 15 9, en dat de gebruikelijke inrichtingen werden gekozen als zijnde representatief voor inrichtingen die in de praktijk onder soortgelijke omstandigheden zouden worden toegepast. Zo toont fig. 5 het relatieve gedrag van gebruikelijke inrichtingen in vergelijking met matrixmateriaal.

20 Fig. 6 toont een geleider 51, beschermd door een inrichting, in het algemeen aangeduid door cijfer 53, gevormd uit matrixmateriaal volgens de onderhavige uitvinding. Als leiding 51 moet elk type geleider worden begrepen, die elektrische signalen of energie voert naar een schakeling, die E0S bescherming vereist. In de in fig. 6 gefllu-25 streerde uitvoeringsvorm is inrichting 53 een holle cilindrische sectie van matrixmateriaal, aangebracht tussen leiding 51 en een cilindrische huls 57 met het inwendige oppervlak van de cilindrische sectie in fysische aanraking met leiding 51 en het radiale uitwendige oppervlak van de cilindrische sectie verbonden met de aarde.

30 Tijdens het bedrijf van de inrichting van fig. 6, onder normale omstandigheden, leidt geleider 51 signalen naar een beschermd circuit. Bij normale potentiaalverschillen tussen geleider 51 en de aarde is de weerstand van het matrixmateriaal voldoende hoog zodat een verwaarloosbare stroom door het matrixmateriaal wordt geleid. Bij het voorkomen 35 van een E0S verstoring van hoge energie neemt de spanning bij geleider 51 echter aanzienlijk toe en neemt de weerstand van het matrixmateriaal in voldoende mate aanzienlijk af om een elektrische shunt van de geleider 51 naar de aarde te verschaffen. De stroom, die door het matrixmateriaal gaat, is de som van de stroom afkomstig van de E0S verstoring 40 en de stroom door geleider 51 afkomstig, in feite, van de kortsluiting .8720335 16 daarvan met de aarde. Derhalve is de door het matrixmateriaal 9 verwerkte energie de som van de energie afkomstig uit de transiënt plus de in het materiaal gebrachte energie uit de elektrische stelsels, waarmee leiding 51 verbonden is. De shuntstroom wordt voortgezet zolang 5 de potentiaal van geleider 51 ligt boven de klemspanning van het matrixmateriaal.

Vanuit een praktisch standpunt is het vereiste volume van het matrixmateriaal bij een EOS bescherming groter naarmate het vereiste energiedraagvermogen groter is. Indien een beschermd voortbrengsel een 10 afzonderlijke micro-elektronische component is, is het vereiste volume van het matrixmateriaal bijvoorbeeld relatief klein. Anderzijds, indien een beschermde schakeling een massieve antenne zou omvatten, zou het vereiste volume relatief groot zijn. Als ontwerpregel geleidt een matrixmateriaal volgens de onderhavige uitvinding ongeveer tien (10) of 15 meer joule energie per kubieke centimeter, maar deze hoeveelheid kan variëren, in hoofdzaak afhankelijk van de materialen, waaruit het matrixmateriaal bestaat. In de praktijk transporteert het matrixmateriaal tussen 0,5 tot verscheidene honderden joules energie, afhankelijk van de massa van het matrixmateriaal.

20 De werking van het matrixmateriaal 9 zal nu meer in detail worden beschreven. In de eerste plaats kan worden aangenomen, dat een geschikte massa van het matrixmateriaal 9 wordt verbonden tussen de aarde en een beschermde elektronische component, of een geleider die daarmee verbonden is, en dat een EOS transiënt met hoge energie heeft plaats-25 gevonden, die de beschermde schakeling bedreigt. Wanneer de transiënt het matrixmateriaal 9 bereikt, stijgen elektrische velden, die bij de transiënt optreden, snel door het materiaal en de geassocieerde elektrische velden stijgen ook door elk deeltje en elke verbinding tussen de deeltjes of barrière in het materiaal. De velden kunnen diverse ge-30 leidingsmechanismen gelijktijdig initiëren, en diverse transportverschijnselen kunnen optreden, afhankelijk van de tijd, verstreken na de aanvang van de transiënt. Er kan bijvoorbeeld een stroom gaan door het matrixmateriaal 9 tussen aangrenzende geleiderdeeltjes 11, of door verbindingen tussen aangrenzende halfgeleiderdeeltjes 13, of tussen 35 aangrenzende halfgeleider- en geleiderdeeltjes. Zolang de spanning van de EOS transiënt derhalve boven het klemspanningsniveau van het matrixmateriaal 9 ligt, bestaat een veelheid van stromingspaden in elke sectie van matrixmateriaal 9 langs ketens van deeltjes 11 en 13.

Met betrekking tot de geleiderdeeltjes 11 zijn elektrische velden 40 uitgesloten van de inwendige volumes van de deeltjes. Dit doet velden .8720335 17 toenemen door de halfgeleiderdeeltjes en door de isolerende materiaal-verbindingen. De velden worden verder versterkt wanneer de geleider-deeltjes 11 scherpe punten hebben. Wanneer derhalve de weerstand in een speciale keten van aan elkaar grenzende geleiderdeeltjes 11 klein ge-5 noeg is, gaat de stroom door de keten, samenhangend met de ohmse soortelijke weerstand van de geleidende deeltjes 11 en de sterkte van het toegepaste elektrische veld.

De halfgeleiderdeeltjes 13 kunnen worden begrepen als afzonderlijke niet-lineaire weerstandselementen. Wanneer een toegepast elektrisch 10 veld stijgt door halfgeleiderdeeltjes 9, regelt de samenstelling van het halfgeleidermateriaal de verandering van de afzonderlijke deeltjes-geleiding en dus de geleidbaarheid van de ketens van halfgeleiderdeeltjes 13 die de stroom door matrixmateriaal 9 voeren. Met andere woorden, het aantal en de samenstelling van de halfgeleiderdeeltjes 13 be-15 paalt in het algemeen de bulkweerstand van matrixmateriaal 9. Span-ningsdalingen door de barrière-verbindingen, bestaande uit isolerend materiaal 15, dragen eveneens bij aan de in-stand bulkweerstand van matrixmateriaal 9. Derhalve is het totale geleidingsvermogen van matrixmateriaal 9 direct gerelateerd aan de serie-parallelsom van alle span-20 ningsdalingen voor geleiderdeeltjes 11, halfgeleiderdeeltjes 13 en de barriereverbindingen die verschaft worden door isolerend materiaal 15 en bindmiddelmateriaal 19.

In de context van fig. 7 wordt de spanningsdaling door halfgelei-derdeeltje 13 aangegeven als Ysc» de spanningsdaling door geleider-25 deeltje 11 wordt aangegeven als Vm en de potentiaal daling door isolatiemateriaal 15, dat de twee deeltjes scheidt, wordt aangegeven als Yg (de barriere-potentiaal). Derhalve kan fig. 7 worden opgevat als een illustratie van een deel van een keten (twee deeltjes) in matrixmateriaal 9. Het totale potentiaalverschil langs deze keten is de som van 30 Vsc plus Υβ plus Ym-

Verder kan met betrekking tot fig. 7 worden opgemerkt, dat de bekleding van isolerend materiaal 15 enigszins verschoven is in het gebied waar deeltje 11 grenst aan deeltje 13. In de praktijk heeft het mengen van deeltjes voor het vormen van matrixmateriaal 9 of het op on-35 juiste wijze bekleden van de deeltjes soms tot gevolg dat geleidermate-riaal direct in aanraking komt met halfgeleidermaterialen, of dat gelei dermateriaal in een deeltje direct in aanraking komt met geleiderma-teriaal in een ander deeltje, of halfgeleidermateriaal in een deeltje direct in aanraking komt met halfgeleidermateriaal in een ander deel-40 tje. Dergelijke onregelmatigheden hebben geen nadelige invloed op het .8720335 18 gedrag van matrixmateriaal 9 zolang ze relatief geïsoleerde gevallen vormen.

Na het initiëren van het elektronentransport door een kwantummechanisch tunnel effect beginnen andere transportmechanismen te over-5 heersen. Bijvoorbeeld treden thermionische emissies van elektronen nagenoeg gelijktijdig met het tunnel effect op. Ook elektronentransport door lawine en zener-defect en vel demissie-effecten kunnen optreden.

Het gevolg van de cumulatie van elektronentransportmechanisme is het verschaffen van matrixmateriaal 9 met sterk niet-lineaire weerstands-10 eigenschappen bij aanwezigheid van toegepaste velden, gevormd door transiënten met snelle stijgtijden.

Wanneer het veld, voortgebracht door een EOS transiënt, afneemt, nemen de energiebarrieres bij de verbindingen tussen de geleiderdeel-tjes 11 en de halfgeleiderdeeltjes 13 toe met betrekking tot de energie 15 van de elektronen die door de barrières trachten te gaan. (In de context van fig. 7 worden de energiebarrieres bij de verbindingen aangegeven als spanningsdaling Vg.) Derhalve wordt matrixmateriaal 9 snel meer weerstandbiedend wanneer de amplitude van een transiënt afneemt en het shunt-gedrag van het materiaal snel afneemt.

20 Een primair doel bij het fabriceren van matrixmateriaal 9 is het verschaffen van een ontelbaar aantal ketens van aan elkaar grenzende deeltjes met zich tussen de deeltjes bevindende separatie-afstanden langs de ketens die smal genoeg zijn zodat elektronentransport door het isolerende materiaal 15, dat de deeltjes scheidt, in het begin gedomi-25 neerd wordt door het kwantum-mechanische tunnel effect van elektronen. Met andere woorden, de geleiderdeeltjes 11 en de halfgeleiderdeeltjes 13 zijn in voldoende mate dicht op elkaar door isolerend materiaal 15 gescheiden, dat de verbindingen tussen de deeltjes die de ketens of de webben vormen, op geschikte wijze tunnel verbindingen kunnen worden ge-30 noemd. Voor de onderhavige doeleinden kan een tunnel verbinding worden gedefinieerd als een ruimte tussen de deeltjes die kleiner is dan verscheidene honderden angstrom. Bij tunnelverbindingen in aanwezigheid van toegepaste elektrische velden gaan elektronen door isolerend materiaal 15, zelfs hoewel de theoretische energiebarriere, opgelegd door 35 de verbinding, de energie van tenminste enige van de elektronen, die door de barrière worden getransporteerd, overschrijdt. De verklaring van een dergelijk gedrag is afhankelijk van een waarschijnlijkheidsmo-del van elektronengedrag, en elektronen die door de verbindingsbar-rieres gaan zullen dit, naar wordt aangenomen, eerder door het tunnel-40 effect doen dan omdat de energie daarvan de barriere-energie over- .8720335 19 schrijdt. Omdat tunneleffectstromen bijna ogenblikkelijk optreden met toegepaste velden die een minimum waarde overschrijden, wordt derhalve verondersteld dat de relatief snelle responstijden van matrixmateriaal 9 te danken zijn aan een transport van elektronen door een kwantum-me-5 chanisch tunneleffect wanneer toegepaste velden hoog zijn, isolerend materiaal 15 een dunne effectieve barrierebreedte vormt en de halfge-leiderdeeltjes 13 klein zijn. Verder is een bevordering van de geleiding door een kwantum-mechanisch tunneleffect in vergelijking met andere transportverschijnselen niet alleen belangrijk voor de responstijd 10 van het matrixmateriaal 9, maar doet deze ook het overlevingsvermogen van het materiaal toenemen (d.w.z. vermindert falen door defecten).

Volgens de voorkeurswerkwijze voor het produceren van het matrixmateriaal 9 worden de geleiderdeeltjes 11 afzonderlijk bekleed met isolerend materiaal 15 en op soortgelijke wijze worden de halfgeleider-15 deeltjes 13 afzonderlijk bekleed met het isolerende materiaal 15. (In de onderhavige context kan de vorming van een oxidelaag op geleiderdeeltjes 11 worden beschouwd te behoren tot de "bekleding" stap.) Vervolgens worden beklede geleiderdeeltjes 11 gemengd met bindmiddelmateriaal 19 en worden beklede halfgeleiderdeeltjes 13 aan het mengsel toe-20 gevoegd. (In gevallen, waarin bindmiddelmateriaal 19 wordt gebruikt en een geschikte elektrische isolator is, kunnen geleiderdeeltjes 11 worden bekleed door mengen met het bindmiddel.) Afhankelijk van het bindmiddel materiaal 19 kan uitharden noodzakelijk zijn. Bij het produceren van matrixmateriaal 9 is het belangrijk, dat geleiderdeeltjes 11 en 25 halfgeleiderdeeltjes 13 homogeen worden gemengd. Bij afwezigheid van homogeen mengen zouden talrijke ononderbroken ketens van geleider- of halfgeleiderdeeltjes zich kunnen uitstrekken van het ene oppervlak naar het andere oppervlak van het matrixmateriaal en nadelig blijken te zijn voor de eigenschappen van het materiaal. Met name in een sectie van ma-30 trixmateriaal 9 scheiden ongeveer vijfentwintig tot meer dan vijfhonderd geleider- en halfgeleiderdeeltjes tegenover elkaar gelegen vlakken van het matrixmateriaal.

Ofschoon matrixmateriaal 9 beschreven is als zijnde geschikt voor het verschaffen van bescherming tegen EOS transiënten, heeft het ma-35 teriaal ook nut bij toepassingen voor het verschaffen van schakelen met hoge snelheid van elektrische schakelingen met hoge energie.

Ofschoon de onderhavige uitvinding beschreven is met bijzondere verwijzing naar de toegelichte voorkeursuitvoeringsvorm, dient deze beschrijving niet als beperkend te worden opgevat. Diverse wijzigingen en 40 modificaties zullen geen twijfel doen ontstaan bij de deskundigen op dit .8720335 20 gebied na het lezen van de voorafgaande beschrijving. Dienovereenkomstig is de bedoeling, dat de bijgaande conclusies worden geïnterpreteerd als omvattende al dergelijke alternatieve uitvoeringsvormen die vallen binnen de werkelijke geest en omvang van de onderhavige uitvin-5 ding.

.8720335

Claims (36)

1. Niet-lineair weerstandsmateriaal voor het verschaffen van bescherming tegen elektrische overspanning tegen elektrische transiën-ten met stijgtijden van slechts enige nanoseconden of minder, waarbij 5 het materiaal een matrix omvat, gevormd uit een mengsel van: a) afzonderlijke deeltjes van geleidende materialen, waarbij de afmetingen van het overwegende deel van de geleidende deeltjes kleiner is dan ongeveer verscheidene honderden micrometers; b) afzonderlijke deeltjes van halfgeleidermaterialen, waarbij de 10 afmetingen van het overwegende deel van de halfgeleiderdeeltjes kleiner is dan ongeveer verscheidene honderden micrometers; en c) isolerende materialen, die de deeltjes van geleidend materiaal en de deeltjes van halfgeleidermateriaal bekleden, wat ketens van de deeltjes in de matrix verschaft met zich tussen de deeltjes bevindende 15 scheidingsafstanden tussen de ketens van minder dan ongeveer verscheidene honderden angstroms, als gemiddelde, waarbij een aanzienlijke niet-lineaire geleiding tussen de deeltjes in dergelijke ketens mogelijk wordt gemaakt door een kwantum-mechanisch tunnel effect van elektronen als respons op elektrische transiënten met hoge energie.

2. Materiaal volgens conclusie 1, dat verder een bindmiddelmate riaal bevat, waarin de genoemde deeltjes in het algemeen homogeen gesuspendeerd zijn.

3. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij de geleidende deeltjes afmetingen van minder dan ongeveer 100 micron bezitten.

4. Materiaal volgens conclusie 3, waarbij de afmetingen van de deeltjes van het halfgeleidermateriaal liggen in het gebied van ongeveer 0,1 micrometer tot 100 micrometer.

5. Materiaal volgens conclusie 4, waarbij het aantal halfgeleiderdeeltjes met afmetingen kleiner dan de ondergrens van het genoemde ge- 30 bied het aantal halfgeleiderdeeltjes met diameters groter dan de bovengrens van het genoemde gebied aanzienlijk overschrijdt.

6. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij de geleidende deeltjes deeltjes van carbonyl nikkel omvatten.

7. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij de geleidende deeltjes 35 materialen omvatten in de klasse waartoe titaancarbide, nikkel, wolf- raamcarbide, boorcarbide, zirkoniumcarbide, roet, grafiet, koper, aluminium, molybdeen, zilver, goud, zink, messing, cadmium, brons, ijzer, tin, beryllium, lood, boriden, tantaalcarbide en Mu-metaal behoort.

8. Materiaal volgens conclusie 5, waarbij de geleidende deeltjes 40 soortelijke weerstanden in het gebied van 10"! tot ongeveer . 872 033 5 » % k 10“6 ohm per centimeter bezitten.

9. Materiaal volgens conclusie 2, waarbij het gewichtspercentage geleidende deeltjes in het materiaal groter is dan ongeveer 1% en kleiner is dan ongeveer 45%.

10. Materiaal volgens conclusie 2, waarbij het bindmiddelmateriaal een elektrische isolator is.

11. Materiaal volgens conclusie 10, waarbij het bindmiddelmateriaal een polymeer is.

12. Materiaal volgens conclusie 10, waarbij het gewichtspercentage 10 van het bindmiddelmateriaal groter is dan ongeveer tien procent (10%) van het matrixmateriaal.

13. Materiaal volgens conclusie 10, waarbij het bindmiddelmateriaal wordt gekozen uit de klasse waartoe thermohardende polymeren, thermoplastische materialen, rubber, polymeerlegeringen en mengsels be- 15 horen.

14. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij de geleidende deeltjes talrijke scherpe punten bezitten voor het verschaffen van een veldver-groting tussen de deeltjes.

15. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij het isolerende mate- 20 riaal afzonderlijke halfgeleiderdeeltjes bekleedt.

16. Materiaal volgens conclusie 15, waarbij het isolerende materiaal in de gasfase gevormd siliciumdioxide bevat.

17. Materiaal volgens conclusie 16, waarbij het in de gasfase gevormde siliciumdioxide Cab-O-Sil omvat.

18. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij het isolerende mate riaal, waarmee de deeltjes bekleed zijn, in de gasfase gevormd sili-ciumdioxide, kaolien, kaoliniet, aluminiumtrihydraat, veldspaat, diverse vormen van siliciumdioxide, glasbolletjes, calciumcarbonaat, bariumsulfaat, calciumsulfaat of olie omvat.

19. Materiaal volgens conclusie 2, waarbij het bindmiddelmateriaal een soortelijke weerstand in het gebied van ongeveer 10^2 tot ongeveer 1θ15 ohm per centimeter bezit.

20. Materiaal volgens conclusie 1, waarbij de geleidende deeltjes, de halfgeleiderdeeltjes en het isolatormateriaal worden gekozen om een 35 klemspanning van verscheidene honderden volts te verschaffen.

21. Werkwijze voor het formuleren van een niet-lineair weerstands-materiaal voor het beschermen tegen elektrische transiënten met stijgtijden van slechts enige nanoseconden of minder, welke de stappen omvat van: 40 a) verschaffen van afzonderlijke deeltjes van geleidende materia- .8720335 len en deeltjes van halfgeleidermaterialen, waarbij de afmetingen van de deeltjes in het algemeen kleiner dan verscheidene honderden micrometers is; b) bekleden van elk van de deeltjes van de geleidende materialen 5 en elk van de deeltjes van de halfgeleidende materialen met isolerende materialen; en c) mengen van de beklede deeltjes van geleidende materialen met de beklede deeltjes van halfgeleidermaterialen onder vorming van een in het algemeen homogene matrix met een ontelbaar aantal ketens of aan el- 10 kaar grenzende deeltjes, waarin de deeltjes op afstand van elkaar worden gehouden door de isolerende bekleding van niet meer dan verscheidene honderden angstroms om een aanzienlijke elektronengeleiding tussen de deeltjes mogelijk te maken door een kwantum-mechanisch tunneleffect als respons op toegepaste elektrische overspanningstransiënten.

22. Werkwijze volgens conclusie 21, verder omvattende het toevoe gen van bindmiddelmateriaal voor het suspenderen van het mengsel van deeltjes van geleidende en halfgeleidermaterialen.

23. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij de deeltjes van geleidende materialen afmetingen van minder dan ongeveer 100 micron bezit- 20 ten.

24. Werkwijze volgens conclusie 23, waarbij de deeltjes van half-geleidermateriaal een afmeting bezitten in het gebied van ongeveer 0,1 micrometer tot 100 micrometer.

25. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij de deeltjes van gelei- 25 dend en halfgeleidermateriaal afzonderlijk bekleed worden met het isolerende materiaal voordat ze met elkaar worden gemengd.

26. Werkwijze volgens conclusie 25, waarbij de beklede deeltjes van geleidend materiaal worden gemengd met een bindmiddelmateriaal en vervolgens de deeltjes van halfgeleidermateriaal worden gemengd met het 30 mengsel van bindmiddelmateriaal en geleidende deeltjes.

27. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij de deeltjes van geleidend materiaal carbonyl nikkel omvatten.

28. Werkwijze volgens conclusie 21, waarin de geleidende deeltjes materialen omvatten uit de klasse waartoe titaancarbide, nikkel, wolf- 35 raamcarbide, boorcarbide, zirkoniumcarbide, roet, grafiet, koper, aluminium, molybdeen, zilver, goud, zink, messing, cadmium, brons, ijzer, tin, beryllium, lood, boriden, tantaalcarbide of Mu-metaal behoren.

29. Werkwijze volgens conclusie 22, waarbij het gewichtspercentage geleidende deeltjes in het materiaal groter is dan ongeveer 1% en klei- 40 ner dan ongeveer 45¾. .8720335

30. Werkwijze volgens conclusie 22, waarbij het bindmiddelmateriaal een elektrische Isolator is.

31. Werkwijze volgens conclusie 30, waarbij het bindmiddelmateriaal een polymeer is.

32. Werkwijze volgens conclusie 30, waarbij het gewichtspercentage van het bindmiddelmateriaal groter is dan ongeveer tien procent (10%) van het matrixmateriaal.

33. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij het isolerende materiaal als bekleding wordt aangebracht op afzonderlijke halfgeleider- 10 deeltjes.

34. Werkwijze volgens conclusie 33, waarbij het isolerende materiaal in de gasfase gevormd siliciumdioxide omvat.

35. Niet-lineaire weerstand biedende inrichting voor het beschermen tegen elektrische overspanningstransiënten met stijgtijden van 15 slechts enige nanoseconden of minder, waarbij de inrichting omvat: a) een matrix van een niet-lineair weerstand biedend materiaal bestaande uit een willekeurig mengsel van afzonderlijke deeltjes van geleidende materialen en halfgeleidermaterialen met isolerende materialen, die de halfgeleiderdeeltjes bekleden, voor het scheiden van de 20 deeltjes in ketens van deeltjes van geleidende materialen en halfgeleidermaterialen op afstanden, die voldoende klein zijn om een kwantum-me-chanisch tunneleffect van elektronen tussen deze deeltjes mogelijk te maken als respons op elektrische overspanningstransiënten; en b) elektrode-middelen voor het elektrisch verbinden van het ma- 25 trixmateriaal tussen de aarde en een elektrische inrichting, die moet worden beschermd tegen transiënte elektrische overspanningen.

36. Inrichting volgens conclusie 31, die verder isolerend bindmid-delmateriaal omvat, waarin de afzonderlijke deeltjes in het algemeen homogeen gesuspendeerd zijn. +++++++ .8720335