DE2326896B2 - Spannungsabhaengiges widerstandselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein spannungsabhängiges Widerstandselement mit einem gesinterten scheibenförmigen Oxidhalbleiterkörper und zwei Elektroden, von denen wenigstens eine in nichtohmschem Kontakt mit dem Oxidhalbleiterkörper steht, bei welchem der nichtlineare Widerstand zwischen der Elektrode mit nichtohmschem Kontakt und dem Oxidhalbleiterkörper besteht. Ein derartiges Widerstandselement ist beispielsweise durch die DT-OS 17 65 097 bekanntgeworden.

Durch die DT-PS 7 38 415 ist ein spannungsabhängiger Widerstand bekanntgeworden, welcher im Bereich hoher Temperatur über 200⁰C arbeitet. Der Varistor wird dabei in einem Temperaturbereich betrieben, in welchem eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur entweder vernachlässigt werden kann oder aber zur Versteilerung der Varistorkennlinie mit ausgenutzt werden kann.

Durch die Druckschrift »Temperaturabhängige Widerstände« (NTC, PTC), Valvo GmbH, Hamburg, Januar 1964, Seiten 416 und 417 ist ein Zwerg-NTC-Widerstand in Glasumhüllung mit Schutzgasfüllung bekanntgeworden, bei welchem das Produkt aus spezifischem Widerstand Ro bei 273 K und Thermistorkonstante ßden Wert 4680 A: Ω Κ hat.

Schließlich ist durch die DT-PS 6 31867 ein Widerstandskörper mit hohem negativem Widerstandskoeffizienten bekanntgeworden, welcher aus Oxiden wie beispielsweise Fe2O3 und CuO besteht, ohne daß dort nähere Angaben zum Mischungsverhältnis gemacht sind.

Übliche nichtlineare Widerstände, die im folgenden als Varistor bezeichnet werden, sind Siliziumkarbidvaristoren, Siliziumvaristoren, Bariumtitanatvaristoren und dergleichen.

Allgemein ist die Stromspannungskennlinie eines solchen Varistors durch folgende Gleichung gegeben:

(D

wobei / der durch den Varistor fließende Strom, V die Spannung über dem Varistor, V₀ die an gegenüberliegende Flächen des Varistors bei / = /omA angelegte Spannung, d. h. eine Schwellwertspannung und tx eine

die Nichllinearität darstellende Zahl, gewöhnlich 3 bis 5,

Siliziumkarbidvaristoren verschlechtern sich in der Kennlinie bei kleiner werdenden Abmessungen und zeigen dann «-Werte kleiner als 3. Siliziumvaristoren und Bariumtitanatvaristoren können beide mit kleinen Abmessungen hergestellt werden, sind in der Verwendung jedoch beschränkt, weil ihre V₀-Werte im Bereich von 0,5 bis 1,2 V liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Widerstandselemente der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß bei kleinen Abmessungen eine möglichst steile Stromspannungskennlinie vorliegt, ohne daß Instabilitäten auftreten, die sich in Kennlinienteilen mit negativen Widerstandswerten äußern. Solche Widerstandselemente sollen auch billig herzustellen

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden aus Kupfer bestehen, daß der Oxidhalbleiterkörper aus einer Mischung von Eisenoxid und Kupferoxid in einem Mischungsverhältnis im Bereich von 2 :1 bis 1 :2 besteht und daß das Produkt aus spezifischem Widerstand Ro in k Ω bei 273 K und aus der Thermistorkonstante B in K den Wert R₀- B = 1050 it Ω Α: nicht überschreitet.

Die erfindungsgemäßen Widerstandselemente haben die gleichen stabilen Stromspannungskennlinien wie nichtlineare Widerstände. Diese Stromspannungskennlinien beruhen auf den Eigenschaften der Kontaktflächen zwischen den gesinterten Oxidkörpern und den Kupferelektroden, woraus sich ergibt, daß die Kontakt-. Widerstandselemente in sehr kleinen Abmessungen ausgeführt werden können.

Allgemein ist die Beziehung zwischen dem Widerstand R (in k Ω) bei einer Temperatur 7(in k), R₀ (in k Ω) bei der Temperatur T₀ (in K) und B (in K) eines Oxidhalbleiters durch folgende Gleichung gegeben:

R = R₀ exp B -=-

Die Gleichung (2) ist nicht in jedem Temperaturbereich anwendbar; die Erfindung bezieht sich jedoch auf Werte von Ro und B in einem Temperaturbereich, in welchem die Gleichung (2) anwendbar ist.

Das erfindungsgemäße Widerstandselement hat eine ausgezeichnete Kennlinie, welche nicht verschlechtert wird, wenn das Widerstandselement mit kleineren Abmessungen gebaut wird. Im einzelnen beträgt sein V₀-Wert 10 bis 20 V bei /₀ = 5mA und der Wert etwa 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig.3 eine für einen nichtlinearen Widerstand geeignete Stromspannungskennlinie und

Fig.4 eine für einen nichtlinearen Widerstand ungeeignete Stromspannungskennlinie.

In den F i g. 3 und 4 ist eine Spannung E als Abszisse und ein Strom /als Ordinate aufgetragen.

Der Oxidhalbleiter als eine Komponente des Kontaktwiderstandselements hat einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes und besitzt einen solchen spezifischen Widerstand

Ro (in kQ) bei einer Temperatur von 273 K sowie eine solche Thermistorkonstante B (in K), daß diese die Beziehung B ■ R₀ S 1050 *Ω · K erfüllen. Die Oxidhalbleiter sind gesinterte Körper aus Mischungen von Eisenoxid und Kupferoxid im Bereich von 2 : I bis s 1 :2. Die Elektroden als die zweite Komponente des Kontaktwiderstandselements, welche sehr korrosionshindernd sind und eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, sind aus Kupfer. Daher sind die Komponenten des Kontaktwiderstandselements beide nicht teuer.

Im folgenden wird ein Kontaktwiderstandselcment im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zi;igt eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, während F i g. 2 eine Querschnittansicht dieses Ausführungsbeispiels zeigt.

Ein Kontaktwiderstandselement ist wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, einfach dadurch herstellbar, daß kleine Löcher in einen gesinterten Oxidkörper 1 gemacht werden, 2 Stücke aus Kupfer als Elektroden 2 durch die kleinen Löcher an dem gesinterten Oxidkörper 1 angebracht werden und das Ganze mit einem geeigneten isolierenden Überzugsmateria) 3, wie einem Epoxyharz, fixiert wird. Das Kontaktwiderstandselement hat eine bemerkenswert stabile Stromspannungskennlinie, wie sie in Fig.3 gezeigt ist, und welche sich als geeignet für einen nichtlinearen Widerstand gezeigt hat.

Man erhält ein Kontaktwiderstandselement, welches sowohl bezüglich der Rohmaterialkosten als auch bezüglich der Herstellungskosten nicht teuer ist und mit kleinen Abmessungen gebaut werden kann, ohne daß seine bemerkenswert stabile Kennlinie verschlechtert wird. Das Kontaktwiderstandselement hat somit einen großen industriellen Wert.

Die Erfindung wird noch besser verständlich im Zusammenhang mit dem folgenden Beispiel.

Beispiel

Der gesinterte Oxidkörper wird mit einem üblichen Verfahren hergestellt. Das Ausgangsmaterial in der in Tabelle I definierten Zusammensetzung wird in einer Topfmühle gemischt, um eine homogene Mischung zu erzeugen. Die Mischung wird in einem Trockner getrocknet und in einer Form bei einem Druck von etwa 100 N/mm² in eine Scheibe von 10 mm Durchmesser und 1 mm Dicke gepreßt. Die gepreßte Scheibe wird bei etwa 1000⁰C in Luft getrocknet und ergibt so eine Sinterscheibe oder den Oxidkörper 1.

Das in F i g. 1 gezeigte Kontaktwiderstandselement wird dadurch hergestellt, daß zwei kleine Löcher von 1 mm Durchmesser in die Sinterscheibe bzw. den Oxidkörper 1 gemacht werden, 2 Stücke aus Kupfer über die zwei kleinen Löcher an den Oxidkörper 1 als Elektroden 2 angebracht werden und das Ganze mit einem Überzugsmaterial 3 in Form eines Epoxyharzes fixiert wird.

Da das so hergestellte Kontaktwiderstandselement an der Kontaktfläche zwischen der Sinterscheibe oder dem Oxidkörper 1 und den Elektroden 2 aus Kupfer wie oben beschrieben je eine Grenzschicht aufweist, ist sein Widerstandswert R\ bei niedrigen Spannungen groß, und der Strom ändert sich bei steigender Spannung wie in F i g. 3 gezeigt. Die gemessenen Werte von R\, Vo und α des Kontaktwiderstandselements sind in Tabelle 1 gezeigt. Weiter sind die auf übliche Weise gemessenen Werte des Widerstands /?o(in kQ) und derThermistorkoiistante ß(in K) des Sinterkörpers oder Oxidkörpers 1 zusammen mit den Werten von Ro ■ B ebenfalls in Tabelle I dargestellt.

Tabelle 1

Probe Nr.	1	Ii	III	IV
Fe2O., (Mol-%)	66	50	40	34
CuO (Mol-%)	34	50	60	66
/?u(kti)	0,5	0,1	0,04	0,01
B (K)	2 100	1900	1 100	1500
Λ, (kii)	20	19	17	16
K0(V)	19	18	16	15
a (-)	5	5	4	4
Λ., · ß(kl> · K)	1050	190	44	15

Wie Tabelle I zeigt, sind die Werte Ro · B der Oxidkörper oder Sinterkörper I bis IV durchweg nicht größer als 1050 kQ ■ K. Die in Fig. 1 dargestellten unter Verwendung dieser Sinterkörper hergestellten Kontaktwiderstandselemente zeigen alle die bemerkenswert stabile Stromspannungskennlinie gemäß F i g. 3 und erweisen sich somit als geeignet für einen nichtlinearen Widerstand.

Zum Vergleich wurden Sinterkörper auf die gleiche Weise wie bei dem obenerwähnten Beispiel ausgehend von den Ausgangsmaterialien in der Zusammensetzung wie in Tabelle II definiert, hergestellt. Die gemessenen Werte von Ro, B und R\ sind ebenfalls in Tabelle II gezeigt.

Tabelle Il	V	VI	VII	VIII
Probe Nr.	70	0	0	50
Fe2O3 (Mol-%)	0	70	66	0
MnO2 (Mol-%)	30	30	34	50
CoO (Mol-%)	20	20	10	6
A0(Wi)	4500	4500	6000	3500
B(K.)	140	140	30	25
A1(Wi)	90000	90000	60000	21000
R0 ■ B (kü · K)

Wie Tabelle II zeigt, sind die Werte von R₀ ■ B der Sinterkörper V bis VIII durchweg größer als 10 000 A: Ω · Ko- Die Kontaktwiderstandselemente, welche durch Anbringen von Kupferstücken an den Sinterkörpern auf die gleiche Weise wie beim oben beschriebenen Beispiel hergestellt wurden, zeigten alle die instabile Stromspannungskennlinie, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist, und erwiesen sich somit als ungeeignet für einen nichtlinearen Widerstand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spannungsabhängiges Widerstandselement mit einem gesinterten scheibenförmigen Oxidhalbleiterkörper und zwei Elektroden, von denen wenigstens eine in nichtohmschem Kontakt mit dem Oxidhalbleiterkörper steht, bei welchem der nichtlineare Widerstand zwischen der Elektrode mit nichtohmschem Kontakt und dem Oxidhalbleiterkörper ι ο besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) aus Kupfer bestehen, daß der Oxidhalbleiterkörper (1) aus einer Mischung von Eisenoxid (Fe2O3) und Kupferoxid (CuO) in einem Mischungsverhältnis im Bereich von 2:1 bis 1:2 besteht und daß das Produkt aus spezifischem Widerstand R₀ in kü bei 273 K und aus der Thermistorkonstante B in K den Wert Ro ■ B = 1050 ΑΩ K nicht überschreitet.

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